SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Condiionatoare de semnal

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Recapitulare

Curs 8

Sensibilitatea Ka reprezint raportul dintre variaiile mrimilor

de ieire y, respectiv de intrare i.

Pragul de sensibilitate este cea mai mic variaie a mrimii de

intrare care poate fi pus n eviden;

Rezoluia - se definete ca intervalul maxim de variaie a

mrimii de intrare pentru a se asigura o variaie sesizabil a

mrimii de ieire.

Traductorul este cu att mai performant cu ct:

sensibilitatea este mai mare;

pragul de sensibilitate i rezoluia sunt mai reduse.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Recapitulare

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Condiionarea semnalelor

La semnalele analogice o importan major o reprezint influena semnalelor

perturbatoare.

Semnalul perturbator = un semnal parazit care nu conine semnal util dar se

suprapune peste acesta.

La frecvene joase sub 50 Hz predomin perturbaiile datorate descrcrilor

electrice atmosferice i vibraiilor mecanice. Din cauza vibraiilor mecanice se

modific distana dintre electrozi, distana dintre armturile condensatoarelor,

poziiile elementelor mobile etc.

n domeniul de frecvene (103 - 105) Hz perturbaiile au un nivel relativ constant i

se numesc zgomot alb. Cauzele acestor perturbaii se datoreaz in principal

aparaturii electronice.

Peste 105 Hz nivelul perturbaiilor ncepe s creasc n special datorit factorilor

externi: emitoare radio TV, convertoare electrice de nalt frecven.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Condiionarea semnalelor

Semnal analogice afectat de zgomot.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Condiionatoare de semnal

Condiionatoarele de semnal sunt componente ale unui

sistem de msurare ce au rolul de a prelucra semnalul

electric ce le strbate astfel nct, acesta s devin

compatibil cu urmtoarele componente din sistem.

Majoritatea aparatelor de condiionare a semnalelor, utilizate n

componena sistemelor de msurare, sunt dedicate

utilizrii ntr-o configuraie computerizat.

Ele nu posed componente de vizualizare sau stocare a

semnalelor, iar majoritatea operaiilor de configurare a

acestor aparate sunt comandate de ctre calculator, prin

intermediul plcii de achiziie de date.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Produse pentru condiionarea semnalului

Plci pentru achiziia datelor ce au i circuite de condiionare a semnalului.

Avantaje:

- este o soluie este ieftin: - ocup spaiu minimal.

Dezavantaje:

- semnalele achiziionate nu sunt complet izolate deoarece acestea sunt citite direct de ctre conectorul plcii ce se afl n computer, semnalele fiind condiionate n interiorul computerului unde zgomotul electric este semnificativ;

- din motive de spaiu, n zona de conectare a computerului, se pot condiiona numai un numr redus de semnale.

Cutie extern computerului unde se face digitizarea (codificarea) semnalului achiziionat i de unde se trimit valorile digitale n computer printr-un cablu serial de tip RS-232.

Avantaj: permite condiionarea unui numr mare de semnale.

Dezavantaj: tipul de comunicare serial RS-232 limiteaz viteza de transmisie a informaiei.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Cutie extern computerului unde se face digitizare i procesare

(codificarea i prelucrarea semnalului);

Avantaj: ofer posibilitatea de a prelucra un numr mare de semnale i n

plus, elimin limitarea dat de modul de comunicare serial.

Dezavantajul acestei metode este c utilizatorul va trebui s programeze

un procesor separat, ce nu face parte din computer, neputnd

beneficia astfel de gama larg de programe software oferit pentru

aplicaii ce folosesc computerul.

Direct-connect modular, adic un sistem cu dou pori, una ce

primete semnalul necondiionat i alta ce trimite semnalul gata

condiionat, plcii cu circuite din computer.

Avantaj: poate fi folosit mpreun cu majoritatea plcilor cu circuite

pentru achiziia datelor.

Dezavantajul acestei soluii este c numrul de semnale ce pot fi

condiionate este limitat.

Produse pentru condiionarea semnalului

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Cerine impuse condiionatoarelor de semnal

1. reducerea la maxim a zgomotului - obinerea unei precizii

ridicate a semnalului achiziionat necesitnd protecie fa de

interferena electric a computerului;

2. sistemul de condiionare trebuie s poat lucra la viteza de

eantionare a plcii plug-in i n intervalul de msurat folosit de

ctre aceasta;

3. un sistem de condiionare trebuie s fie flexibil, s ofere o

gam variat de funcii ce sunt nelese n diferite platforme de

computere i diferite pachete software;

4. sistemul trebuie s fie uor de nlocuit. n industrie au loc

schimbri frecvente, de aceea este uor de a deveni nvechit

numai pentru c arhitectura produsului este rigid;

5. sistemele de condiionare trebuie s fie robuste pentru a putea

fi folosite n medii industriale.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

FunciIle CondiTionatoarelor

Proces

fizic

Captor cu

traductoare

Condiionator

Funciuni

Generale

Specifice

Amplificare

Filtrare

Izolare

Liniarizare

Excitare

Termostatare

Compensare

Hardware

Software

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Funcii generale ale condiionatoarelor

Indiferent de tipul de traductor conectat n sistemul de msurare, pentru

condiionatoarele de semnal se pot defini o serie de

funcii generale:

Amplificarea unui semnal generat de ctre un traductor reprezint o

funcie a unui condiionator de semnal prin care acesta crete valoarea

diferenei de potenial sau a variaiei de tensiune aprute la bornele

traductorului.

Filtrarea unui semnal reprezint operaia de eliminare din cadrul

acestuia a unor interferene de natur periodic, cu frecvena cuprins

ntre limite cunoscute.

Izolarea semnalelor este o funciune a condiionatoarelor prin care

acestea realizeaz transmiterea semnalului fr o legtur fizic

direct ntre dou puncte ale unui circuit electric, utiliznd metode

optice, magnetice sau capacitive.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Amplificarea

Zgomotul nedorit poate influenta precizia de msurare a

sistemului de achiziie date. Efectele zgomotului sistemului

asupra msurtorilor pot fi catastrofale dac nu se iau msuri

de corectare.

Circuitele pentru condiionarea semnalului cu amplificare n

exteriorul calculatorului i aproape de sursa de semnal pot

mri rezoluia msurtorilor i reduce efectele zgomotului.

Multe traductoare au tensiuni de ieire de ordinul milivolilor sau

chiar microvolilor. Amplificarea direct a acestor semnale n

interiorul modulului DAQ duce si la amplificarea zgomotului

generat de firele de legtura. Atunci cnd semnalul de intrare

este de ordinul microvolilor zgomotul poate acoperi semnalul

util, ceea ce duce la eecul msurrii.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Amplificarea

O metod simpl pentru reducerea efectelor zgomotelor asupra

semnalului este de a amplifica semnalul ct mai aproape de surs,

astfel nct nivelul semnalului sa fie mult mai mare fa de nivelul

zgomotului.

De exemplu, un termocuplu are la ieire un semnal care se

modifica cu 50mV/C. Dac firele de legtur au 10m i se afl ntr-

un mediu de zgomot electric dintr-o fabrica i dac variaiile

datorate zgomotului sunt de 200mV, se obine o diferen de

temperatur datorat zgomotului de 4C.

Amplificarea semnalului la surs, alturi de termocuplu, duce la

reducerea acestor erori. Amplificarea semnalului de 500 de ori cu

un condiionator de semnal aflat lng termocuplu ofer un

semnal care variaz cu cca. 25000 mV/C. Cei 10m de fire de

legtura produc un zgomot de 200mV care se adaug la semnalul

util. Acest zgomot produce astfel o eroare de numai o fraciune de

grad Celsius.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Filtrare

Se pot folosi de asemenea filtre pentru eliminarea zgomotului

nedorit dintr-un anumit domeniu de frecvene.

Multe sisteme vor elimina componentele de zgomot periodic de

60Hz produse de surse de alimentare. Condiionatoarele de

semnal cu filtru trece jos pot elimina componente nedorite de

nalt frecventa. Trebuie ns ca banda de trecere a filtrului s fie

atent aleas astfel nct s nu fie afectat timpul de rspuns al

semnalului util.

Dei multe condiionatoare de semnal au filtre trece jos pentru

eliminarea zgomotului, se pot lua msuri suplimentare de

reducere a zgomotului prin mediere software. Medierea software

este o tehnica simpl i eficace pentru filtrare digital a

semnalului. Pentru fiecare dat citit sistemul DAQ face o medie

ntre mai multe citiri. De exemplu, se pot face 100 de msurtori

pentru fiecare dat oferita de sistem. Pentru aplicaii mai lente

aceasta mediere este o metoda foarte eficace de reducere a

zgomotului.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Izolare mpmntarea incorect a sistemelor DAQ este cea mai comun

cauz de generare a problemelor de msurare i defectare a

modulelor DAQ.

Izolarea condiionatoarelor de semnal poate preveni multe probleme

de acest tip prin:

izolarea galvanica a semnalului - se elimina tensiunile de mod

comun si protejeaz modulele scumpe DAQ. Atunci cnd se

conecteaz masa traductorului sau echipamentului la sistemul

DAQ, toate diferenele de potenial din masa sunt transmise

sistemului DAQ. Aceasta tensiune este cunoscuta sub numele de

tensiune de mod comun (common-mode voltage).

izolarea magnetic i capacitiv se moduleaz semnalul i se

convertete din tensiune n frecven. Frecventa poate apoi fi

transmis printr-un transformator sau capacitor, fr conexiune

fizic, semnalul fiind apoi din nou convertit n tensiune.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Funcii specifice condiionatoarelor

Condiionatoarele sunt destinate prelucrrii semnalelor provenite de la

anumite categorii de traductoare, ndeplinind n acest scop o serie

de funcii specifice:

funcia de excitare - condiionatoarele pentru traductoare rezistive

(mrci tensometrice, termorezistene) asigur includerea acestora

ntr-un circuit electric n care s apar o variaie de tensiune odat

cu variaia rezistenei electrice a traductorului.

funcia de termostatare - n situaia n care se efectueaz o

msurare de temperatur utiliznd termocupluri, precizia de

msurare este condiionat de meninerea la o temperatur

constant a jonciunii reci a traductorului.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Funcii specifice ale condiionatoarelor

compensare hardware - atunci cnd termostatarea este dificil de

realizat, condiionatorul poate asigura generarea unei tensiuni

electrice care s compenseze tensiunea electromotoare produs de

jonciunea rece a termocuplului.

compensare software - deoarece compensarea hardware ar

necesita prezena unei surse de tensiune pentru fiecare traductor n

parte, conducnd la o soluie constructiv scump, o a doua

modalitate de compensare, compensare software, utilizeaz un

traductor secundar pentru msurarea temperaturii zonei din mediul

ambiant n care se afl jonciunile reci ale mai multor termocupluri.

Valoarea msurat a variaiei de temperatur la jonciunea rece

este sczut de ctre calculator din valoarea msurat a

temperaturii la jonciunea cald a traductorului.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Tipuri constructive de condiionatoare

innd seama de gama constructiv extrem de larg a condiionatoarelor de semnal, primul criteriu care st la baza alegerii unei astfel de componente, atunci cnd se dorete proiectarea structurii unui sistem de msurare, este acela al compatibilitii cu tipul de traductoare pe care sistemul le utilizeaz.

n tabelul de mai jos sunt prezentate, pentru principalele tipuri de condiionatoare, categoriile de traductoare compatibile i de semnale pe care condiionatoarele respective le pot prelucra.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Alegerea condiionatoarelor

n situaia n care, pentru o anumit categorie de traductoare, exist mai

multe tipuri de condiionatoare de semnal compatibile, alegerea se

efectueaz n funcie de:

diversele funciuni suplimentare pe care un tip de

condiionatoare le poate poseda;

caracteristicile constructive: mod de alimentare, numr de semnale

acceptate (canale), dimensiuni;

domeniul recomandat de utilizare;

preul componentelor.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Sistemul de condiionatoare SCXI

Aparatele de condiionare a

semnalelor din tipul SCXI

(Signal Conditioning

eXtensions for

Instrumentation = Extensie

de Condiionare a

Semnalelor n

Instrumentaie) au o

structur general format

dintr-o serie de module de

condiionare multicanal

montate ntr-un asiu (rack)

comun, dotat

cu o surs de alimentare.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Sistemul de condiionatoare SCXI

Conectarea traductoarelor la unul dintre

modulele SCXI se realizeaz prin

intermediul unui bloc terminal ataat

modulului respectiv.

asiul comun mai multor module

ndeplinete i rolul unui multiplexor:

semnalele de la mai multe

traductoare sunt transmise pe o

aceeai cale mai departe n sistemul

de msurare.

Fiecare modul de condiionare SCXI

este dedicat unor anumite tipuri de

traductoare sau semnale. Modulele

sunt capabile de a ndeplini att

funciuni de condiionare de ordin

general ct i funciuni specifice.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Sistemul de condiionatoare SCXI

Pentru diverse tipuri de traductoare i semnale sunt prezentate

modulele de condiionare SCXI pentru intrri analogice

corespunztoare, numrul de canale de care acestea dispun i

blocurile terminale necesare pentru conectarea traductoarelor.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Sistemul de condiionatoare SCXI

Pentru diverse tipuri de traductoare i semnale sunt prezentate

modulele de condiionare SCXI pentru ieiri analogice i pentru

semnale digitale, numrul de canale de care acestea dispun i

blocurile terminale necesare pentru conectarea traductoarelor.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Sistemul de condiionatoare SCXI

asiurile n care se monteaz modulele de condiionare SCXI pot fi

alese n funcie de numrul de module pe care le pot accepta i de

caracteristicile componentelor din sistemul de msurare ctre care

sistemul SCXI urmeaz a trimite semnalele msurate i

condiionate sau de la care va primi comenzi referitoare la

generarea de semnale.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Sistemul de condiionatoare 5B

Sistemele de condiionare a semnalelor din seria

5B constau din module de condiionare uni-canal

montate pe un suport comun (rigl) care asigur:

conectarea traductoarelor la fiecare modul

instalat;

conectarea ansamblului la urmtoarele

componente din sistemul de msurare;

conectarea cu o surs extern de tensiune.

Tipurile de rigle disponibile permit montarea a 8 sau

16 module de condiionare 5B, din care maxim

dou pot fi module de condiionare a semnalelor

analogice de ieire.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Sistemul de condiionatoare 5B

Riglele 5B nu au rol de multiplexare, astfel nct semnalul furnizat de

fiecare modul de condiionare este transmis mai departe pe cte o

cale distinct.

Toate modulele din seria 5B posed funciunea de izolare a semnalului,

iar modulele de condiionare a semnalelor de la termocupluri

realizeaz compensarea temperaturii jonciunii reci.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Sistemul de condiionatoare SCC

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Sistemul de condiionatoare SCC

thermocouples

RTDs

accelerometers

low-pass filtering

voltage attenuation

frequency-to-voltage

conversion

current input

isolated digital input

isolated digital output

isolated analog input

strain gauges

load cells

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Diagrama - condiionare semnal

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Panoul frontal condiionare semnal

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Multiplexoare i demultiplexoare Curs 8

n principiu, calculatorul nu prelucreaz simultan dect un singur semnal, de aceea este necesar s fie conectat succesiv, dup o succesiune bine definit, la fiecare canal de msur.

Aceasta este funcia multiplexorului (MUX). n acelai timp, toate rezultatele furnizate de calculator, n mod secvenial pe aceeai ieire, trebuiesc dirijate spre destinatari cu ajutorul unui demultiplexor (DEMUX).

Multiplexorul analogic este o component electronic ce conine o baterie de comutatoare analogice, cu ieirile legate mpreun, numrul de comutatoare determinnd numrul de canale de intrare.

Comanda de nchidere i deschidere a comutatoarelor este efectuat printr-o intrare de selectare a canalului, care este o intrare logic, coninnd unul sau mai muli bii.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Multiplexorul analogic

Curs 8

Cu un bit se pot comanda, de

exemplu, dou canale, cu n bii, 2n canale.

MUX-urile uzuale au 4, 8 sau 16

canale. Fiecare canal este

comandat prin adresa sa, care este,

de fapt, numrul canalului. Adresarea poate fi fcut fie secvenial, fie aleator.

n ultimul caz, rolul de programator l poate avea doar microprocesorul,

care acceseaz direct fiecare canal, n timp ce la modul secvenial fiecare canal este adresat ntr-o ordine bine definit, unul dup altul.

SIS

TE

ME

DE

AC

HIZ

IIE

DA

TE

Multiplexorul digital Curs 8

Multiplexorul digital are o funcionare similar cu cel analogic:

pentru a seleciona o intrare, trebuie comandat multiplexorul cu

ajutorul unei adrese codate (n bii), iar numrul de intrri poate

atinge valoarea N=2n. Dac n sistem se utilizeaz mai multe

asemenea circuite de multiplexare, selecia unui anumit circuit, la un

moment dat, se realizeaz cu ajutorul semnalului validare.