Cosa è il condizionamento di segnale o condizionatore di segnale?

Introduzione

Il Condizionamento di Segnale è uno dei componenti fondamentali di un moderno dispositivo di acquisizione (vedi sistema DAQ o DAS). Lo scopo dei sistemi di acquisizione dati è digitalizzare i segnali prodotti da fenomeni fisici. Essi si compongono dei seguenti componenti di base:

• Sensori

• Condizionamento di Segnale (questo articolo)

• Convertitore Analogico-Digitale (ADC) 

• E un qualche tipo di computer con software DAQ per registrazione dei dati e analisi.

Scopri di più sui sistemi di acquisizione dati:

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Cosa fa un Condizionatore di Segnale?

I sistemi di acquisizione dati devono poter connettere una grande varietà di sensori e segnali. I condizionatori di segnale prendono in ingresso i segnali dai sensori, li processano e li inviano al sottosistema A/D.

Come suggerisce il loro nome, questi dispositivi condizionano i segnali in modo che possano essere convertiti nel dominio digitale dal sottosistema A/D, e successivamente visualizzati, memorizzati ed analizzati.

Non è possibile, infatti, collegare direttamente 500V su un ingresso della scheda A/D - termocoppie, RTDs, LVDTs, e altri sensori richiedono il corretto condizionamento per funzionare e fornire una tensione normalizzata che può essere inviata all'ingresso della scheda A/D.

Principali Requisiti dei Condizionatori di Segnale

I condizionatori di segnale moderli includono alcune caratteristiche indispensabili per misure di alta qualità:

• Isolamento elettrico

• Il corretto connettore per sensori specifici

• Selezione dei range di misura

• Filtraggio del segnale

• Compatibilità con il sensore.

Analizzeremo ciascuno di queste caratteristiche dei condizionatori di segnale.

Scopri i Sistemi di Acquisizione Dati Dewesoft con condizionamento di segnale di alta fascia

Isolamento Elettrico o Galvanico

I migliori condizionatori di segnale forniscono isolamento elettrico tra l'ingresso e l'uscita. L'isolamento riduce il rumore, previene loop di massa nella catena di misura, e garantisce misure precise.

A volte chiamato isolamento galvanico, l'isolamento elettrico è la separazione di un circuito da sorgenti di potenziale elettrico. E' particolarmente importante per i sistemi di misura perché molti segnali hanno un livello elettrico molto basso, e i potenziali elettrici circostanti possono influenzare parecchio i segnali, risultando in misure errate. Sia potenziali AC che DC possono influenzare la misura.

Per esempio, quando un sensore viene posizionato direttamente su un sistema sotto test, (ad esempio un alimentatore) che ha un potenziale rispetto a terra, questo può imporre un offset DC sul segnale di centinaia di volts. L'interferenza elettrica o rumore può avere la forma di segnali AC generati da altri componenti elettrici che si trovano lungo il percorso del segnale nell'area di test. Per esempio, le luci fluorescenti della stanza possono irradiare 400Hz che può essere assorbita da sensori sensibili.

Questo è il motivo per cui i sistemi di acquisizione dati utilizzano ingressi isolati - per preservare l'integrità della catena di segnale e garantire che l'uscita del sensore venga realmente letta. Ci sono parecchie tecniche di isolamento impiegate oggi.

E' importante che l'isolamento sia attivo non solo tra canale e terra , ma anche tra canale e canale. Anche l'eccitazione dovrebbe essere isolata quando necessario. Un sistema di isolamento completo previene danni al sistema da potenziali eccessivi, evita loop di massa ed errori di misura.

Ad esempio, il condizionatore di segnale del sistema DAQ SIRIUS fornisce isolamento di 1000V (il modulo high voltage HS è anche certificato CAT II 1000V). 

Scopri di più sull'isolamento dei sistemi DAQ:

L' Importanza dell'Isolamento nei Sistemi di Acquisizione DatiL'isolamento elettrico è una separazione di un circuito da altre fonti di potenziale elettrico. Scopri l'importanza dell'isolamento galvanico nei sistemi DAQ.

La corretta Connessione al Sensore

I migliori condizionatori di segnale sono completamente adattati ai sensori per i quali sono progettati. Tanto per cominciare includono i connettori adeguati per tali sensori.

Le tensioni sono tipicamente gestite con connettori BNC (fino a 50V), e connettori di sicurezza banana per alte tensioni. Per l'interfacciamento di sensori che richiedono alimentazione dal condizionatore, si utilizza un connettore multipolare, come ad esempio i connettori compatti ed affidabili LEMO, o i più economici (ma più ingombranti)  DB9 (DSUB-9). Questo è il motivo per cui molti costruttori, incluso Dewesoft, realizzano i condizionatori con una varietà di connettori.

Gli accelerometri utilizzano generalmente i connettori BNC oppure microdot 10-32.

Le termocoppie utilizzano quasi sempre i connettori mini-omega, che sono colorati secondo uno standard internazionale.

Gli estensimetri sono generalmente acquistati con terminali liberi perché non c'è uno standard industriale per il connettore multipolare da utilizzare, o per il metodo di connessione che deve essere utilizzato (3-fili, 4-fili, linee di sense, senza linee di sense, etc..).  Il connettori multipolari più utilizzati in applicazioni di estensimetria sono i LEMO (compatti ed affidabili) oppure i connettori DB9 (DSUB-9) più economici e ingombranti.

I connettori che sono altamente affidabili, e in qualche caso a tenuta stagna, sono essenziali per i condizionatori.

Ovviamente in caso di sistemi di acquisizione dati permanenti in ambienti industriali, le necessità sono diverse. Al contrario di un tipico sistema di acquisizione dati che deve essere spostato da un posto all'altro e utilizzato in una varietà di applicazioni, questi sistemi sono "fissi" e non cambiano. Sistemi fissi o integrati sono tipicamente realizzati con connettori a vite, molto efficienti ed economici. Non devono essere robusti e a prova di disconnessione.

Selezione del Range di Misura

La capacità di selezionare il corretto range di misura di un sensore è la funzione più basica ed essenziale per un condizionatore di segnale. Per ottenere il miglior risultato di misura, gli ingegneri devono essere in grado di impostare il livello di tensione (o guadagno più in generale) del condizionatore.

Per esempio, se stai cercando di misurare una tensione che varia in un range ±2.5mV (±0.0025V), ma il condizionatore ha solo un range da ±50V, il segnale risulterà estremamente piccolo rispetto a quello massimo misurabile al punto di risultare inutilizzabile. 
Analogamente, se la tensione varia tra ±100V ma l'unico range disponibile è ±50V, la metà del segnale sarà tagliato dal condizionatore e non sarà misurato.

La possibilità di poter selezionare diversi range di misura a secondo del condizionatore e dell'applicazione è quindi una caratteristica critica del condizionatore di segnale.

Filtraggio del Segnale

Oltre a impostare il guadagno di ingresso, probabilmente la funzione più importante di un condizionatore di segnale è il filtraggio. Come minimo, un filtro passa basso a 4 poli è necessario per eliminare o ridurre il rumore elettrico, che può entrare nel segnale dall'ambiente di test. 

Un tipo di filtraggio deve essere fatto in hardware, prima del convertitore analogico-digitale. Questo è un tipo speciale di filtraggio che previene letture errate che possono accadere quando la frequenza di campionamento è impostata troppo bassa se comparata alla frequenza del contenuto del segnale misurato. Filtri anti-aliasing (AAF) prevengono letture errate regolando automaticamente il filtro nel front-end in base alla frequenza di campionamento selezionata. Ci sono più dettagli sui filtri AAF nell'articolo "Cosa è un convertitore ADC?"

Tutti gli altri filtri possono essere effettuati virtualmente in hardware o software. Per esempio, I sistemi di acquisizione Dewesoft DAQ forniscono filtri hardware per tutte le volte che è richiesto dall'applicazione, per esempio, filtri passa-alto hardware negli amplificatori di carica (CHG) oppure amplificatori IEPE (ACC), che sono utili per realizzare un accoppiamento AC del segnale dell'accelerometro prima dell'integrazione del segnale.

Altri filtri hardware sono disponibili nei sistemi Dewesoft DAQ. Ma in aggiunta, una potente suite di filtri software è disponibile per ogni canale. I filtri software possono essere applicati in maniera non distruttiva sui segnali, prima o dopo la registrazione (o entrambi). Questo permette di registrare sia i segnali originali sia le rispettive copie filtrate, e compararle (come mostrato nel diagramma sopra dove un segnale originale ed uno filtrato possono essere sovrapposti nello stesso grafico)

Conformità con i Requisiti del Sensore

Ogni condizionatore di segnale deve essere perfettamente adattato al sensore in uso. I sensori hanno caratteristiche molto differenti a seconda del principio di funzionamento al quale il condizionatore si deve adattare.

Per esempio, il condizionamento per stain gauge (o estensimetro) deve fornire una tensione di eccitazione. E visto che gli ingegneri utilizzano da uno a quattro strain gauges per effettuare la misura, il condizionatore deve essere in grado di adattarsi per gestire la configurazione quarto di ponte, mezzo ponte o ponte intero.

Gli strain gauges probabilmente richiedono il setup di condizionamento più complesso in assoluto, quindi i migliori condizionatori integrano un grande range di funzionalità, incluso completamento del ponte, shunt di calibrazione, linee di sense per compensare l'autoriscaldamento e le variazioni delle resistenze di linea, e altro.

Di seguito analizzeremo nel dettaglio i maggiori tipi di condizionatori, e approfondiremo i requisiti nel dettaglio.

Principali tipi di Condizionatore di Segnale

I condizionatori di segnale moderni si devono interfacciare con la maggior parte dei sensori:

Caratteristiche chiave come isolamento, eccitazione del trasduttore, guadagno analogico, filtro anti-aliasing devono essere implementate in HW. Mentre la maggior parte dei filtri (eccetto anti-aliasing) e linearizzazione possono essere effettuati via software.

Condizionatore di segnale Bassa Tensione

La misura di tensione, sembrerebbe la cosa più semplice in quanto il segnale è già sotto forma di tensione. La tensione può variare da potenziali molto piccoli dal miliardesimo di volt, fino a decine o centinaia di volts. Può anche esistere in forma di tensione alternata (AC) oppure continua (DC).

I potenziali di tensione (potenziale elettrico) possono esistere a livelli ben superiori rispetto a terra, oppure essere centrati sullo 0V. Le sfide e quindi il processing sono essenzialmente gli stessi degli altri fenomeni fisici che vogliamo misurare. Piccole tensioni devono essere amplificate ad un livello nominale per la conversione A/D (tipicamente ±5V). L'isolamento galvanico è spesso necessario per evitare fenomeni di cross-talk oppure loop di massa che possono danneggiare l'integrità della misura introducendo valori errati e offsets.

Qualche volta è necessario utilizzare un'accoppiamento AC per rimuovere la componente DC o implementare filtri passa basso o passa alto per raggiungere particolari obiettivi di misura.

Il modulo DAQ SIRIUS LV di Dewesoft è disponibile con un'ampia varietà di connettori per qualsiasi applicazione: BNC, safety banana jacks, DSUB9, e altri su richiesta.

Scopri di più su misure di tensione e corrente:

Misura di Tensione in Applicazioni di Acquisizione DatiIn questo articolo imparerai cos'è la misurazione della tensione, quali sensori e trasduttori di tensione sono disponibili oggi e le basi della misurazione della tensione.

Condizionatore di segnale Alta Tensione

Grandi tensioni devono essere ridotte ai valori nominali per la digitalizzazione. Ci sono appositi trasduttori per questo, incluso i trasduttori di tensione (TV) che possono dividere migliaia di volts di una rete di distribuzione ad un livello sicuro. L'uscita di un TV viene mandata in ingresso al condizionatore di segnale per tensione, che effettua ulteriori trattamenti prima della digitalizzazione.

Tutti i condizionatori di segnale per misure di alta tensione devono essere fortemente isolati per la sicurezza degli operatori e della strumentazione, ed evitare danni o distruzione del sistema.

Devono essere progettati con gli opportuni connettori. Per misure temporanee, i connettori banana isolati sono comuni. Per misure permanenti, connettori a vite schermati sono comuni. Connettori con contatti esposti andrebbero sempre evitati.

Un buon esempio di un potente condizionamento di segnal per alta tensione è il modulo SIRIUS-HV di Dewesoft.

Scopri di più su misure di tensione:

Misura di Tensione in Applicazioni di Acquisizione DatiIn questo articolo imparerai cos'è la misurazione della tensione, quali sensori e trasduttori di tensione sono disponibili oggi e le basi della misurazione della tensione.

Condizionatore di segnale per Termocoppie

Una semplice termocoppia  richiede un condizionamento di alta qualità per funzionare. Anche se una termocoppia è passiva, cioè non richiede alimentazione, la piccola tensione che genera ai capi del connettore deve essere isolata, amplificata e linearizzata. In più, necessita di un riferimento per effettuare una misura di temperatura assoluta - altrimenti, può solo produrre una misura di temperatura relativa, non molto utile.

Gli aspetti di amplificazione, isolamento e compensazione devono essere realizzati dal condizionatore in hardware, mentre il task di linearizzazione può essere effettuato sia in hardware che software.

Il "riferimento" menzionato sopra è noto come compensazione del giunto freddo. Il sensore viene chiamano "giunto caldo" (giunto di due metalli diversi che costituiscono la termocoppia), mentre l'altro capo - lato strumento di misura - è il giunto freddo del sensore. Questo giunto freddo è dove i metalli che costituiscono la termocoppia sono connessi ai conduttori in rame del sistema di acquisizione.

Una piccolo chip di compensazione del giunto freddo (CJC) è integrato nel condizionatore o nel connettore del condizionatore. Il CJC deve essere protetto da variazioni rapide della temperatura ambiente causate dai movimenti d'aria o irraggiamento solare. Sono normalmente istallati con una pasta speciale per mantenere la temperatura stabile.

La scienza di progettazione di un preciso condizionatore di segnale per termocoppia non può essere ignorata. Se non si porgono particolari attenzioni ai dettagli, è impossibile effettuare misure precise e lineari con termocoppie.

Altre importanti caratteristica di un buon canale termocoppia sono:

ADC ad Alta Risoluzione

Una risoluzione di 24-bit è raccomandata per le termocoppie. Perché ? Una termocoppia di tipo K ha un range di misura da -270°C a +1260°C. E' un range enorme.

Un convertitore ADC a 24-bit fornisce una risoluzione molto più ampia del convertitore a 16-bit (ricorda che ogni bit raddoppia la risoluzione).

Il Corretto Connettore con Codice dei Colori

Oggi, i connettori mini-omega sono lo standard de-facto, insieme al loro codice dei colori che permettono una semplice identificazione visuale del tipo di termocoppia. Collegando una termocoppia di tipo K in un condizionatore di segnale progettato per tipo S o T, per esempio, risulterebbe in una misura errata. 

Condizionatori di segnale di Tipo Fisso

Il condizionatore per termocoppia di "tipo fisso" è progettato per essere compatibile con uno specifico tipo di termocoppia, tipo J, K o T. Poiché Dewesoft offre condizionatori di segnali universali ad alte performances per tutti i sistemi DAQ, sono stati creati gli  adattatori DSI per molti sensori - incluso i principali tipi di termocoppie.

DSI-TH-x serie di adattatori con compensazione del giunto freddo ad alta precisione. 1m di cavo termocoppia incluso con un connettore TC mini omega. Sono supportati i seguenti tipi:

• DSI-TH-C - termocoppia tipo C

• DSI-TH-J - termocoppia tipo J

• DSI-TH-K - termocoppia tipo K

• DSI-TH-T - termocoppia tipo T

Gli adattatori DSI possono essere utilizzati con tutti i sistemi di acquisizione dati Dewesoft con connettori DSUB9 - incluso SIRIUS, DEWE-43A, KRYPTON, e IOLITE. 

Condizionatori di Segnale Termocoppia Universale

• Un buon esempio di un condizionatore di segnale termocoppia universale sono i moduli termocoppia isolati KRYPTON di Dewesoft, disponibili con 8 o 16 canali per modulo. Questi condizionatori di segnale acquisiscono a 100 S/s con un convertitore ADC sigma-delta a 24-bit per canale. La loro precisione di misura è tipicamente ±0.02% della lettura ±100 μV. Garantiscono 1000V di isolamento per proteggere dalle interferenze i piccoli segnali generati dalle termocoppie.

Grazie al fatto che la linearizzazione può essere effettuata in maniera molto precisa e veloce dal software di acquisizione dati DewesoftX fornito, questi moduli sono compatibili con la maggior parte dei tipi di termocoppia attualmente utilizzati: K, J, T, R, S, N, E, C, U, B.

I connettori termocoppia di colore bianco sono utilizzati per indicare che gli ingressi sono di tipo universale. L'utente seleziona semplicemente il tipo di termocoppia che vuole usare dal setup canale del software Dewesoft X, che applica la corretta linearizzazione.

I moduli KRYPTON si collegano insieme tramite un'unica interfaccia EtherCat ad alta velocità, che trasporta tensione di alimentazione, dati e sincronizzazione. Sono realizzati per ambienti difficili soggetti a elevati shock e vibrazioni, acqua, polvere, fumo e soggetti a temperature da molto basse a molto alte.

Scopri di più sulla misura di temperatura:

Condizionatore di Segnale per RTD

Pur misurando sempre la temperatura, una RTD (termoresistenza) è un sensore molto diverso dalla termocoppia. La differenza più evidente è che le RTD non sono sensori passivi - devono essere alimentate dal condizionatore di segnale.

Un buon esempio è il modulo IOLITE 8xRTD di Dewesoft. E' un modulo di condizionamento del segnale per sensori RTD con integrato ADC 24-bit per ogni canale.

Supporta collegamento sia a 3 che 4 fili. Nota che il collegamento a 2 fili tipicamente sono sconsigliati perché la resistenza del cavo viene aggiunta alla misura risultando in un'incremento artificiale della temperatura, e non c'è modo di quantificare l'errore con precisione.

Collegamento RTD a 3-fili vs 4-fili

Nel collegamento a 3 fili, il terzo filo è utilizzato per rilevare il valore della resistenza del conduttore. Il condizionatore di segnale oppure il software associato può rimuovere questo offset in tempo reale, incrementando notevolmente la precisione di misura. 

Se misuriamo la resistenza tra R1 e R2 e sottraiamo la resistenza tra R2 e R3, otteniamo la resistenza alla fine del circuito R(b). Naturalmente, stiamo assumendo che le resistenze sui cavi sono identiche. Possiamo migliorare la precisione aggiungendo un quarto cavo, come da immagine seguente:

Avrai notato che questo collegamento è un ponte intero. Le linee 1 e 4 forniscono alimentazione al circuito, e le linee 2 e 3 sono usate per leggere la resistenza dei cavi dalla RTD al condizionatore di segnale. In questo modo, possiamo rimuovere completamente l'offset di segnale derivante dalla resistenza intrinseca dei conduttori.

Perché scegliere connessione a 3 fili invece che 4 fili?

Se la configurazione a 4 fili è sempre meglio di quella a 3 fili, perché mai gli ingegneri dovrebbero scegliere quella a 3 fili? Normalmente, la risposta è legata al costo. Se la RTD è posizionata molto lontano dal sistema di misura, l'utilizzo di 3 fili anziché 4 fa risparmiare in termini di costo del cavo e tempo di cablaggio. In sistemi con un alto numero di sensori è quindi possibile risparmiare parecchio.

Scopri di più sulla misura di RTD:

Condizionamento di segnale per IEPE

Questi accelerometri hanno un piccolo amplificatore integrato anche chiamato ICP® (nome registrato di PCB Piezotronics) o più in generale IEPE, che è un acronimo per Integrated Electronics Piezo-Electric. L'uscita di questi accelerometri è una tensione di livello abbastanza alto per essere trasmessa al condizionatore utilizzando un buon cavo coassiale, sicuramente molto meno costoso di un cavo specifico per accelerometri di tipo CHARGE.

Ma rispetto agli accelerometri di tipo CHARGE che sono passivi e non richiedono alimentazione, i sensori IEPE hanno bisogno di alimentazione dal condizionatore di segnale. Questa è normalmente fornita in forma di corrente costante da 4 a 20 mA ad una tensione tipica di 25V.

Visto che gli accelerometri IEPE sono pensati pe la misura di segnali AC, l'eccitazione DC può essere sovrapposta al segnale senza creare problemi di misura.

Quindi, la richiesta di base per ogni condizionatore di segnale IEPE è che sia in grado di erogare alimentazione a corrente costante. Il SIRIUS ACC fornisce un'alimentazione a corrente costante selezionabile via software tra 2, 4, 8, 12 o 20mA ad una tensione di 25V.

Un'altra utile funzionalità, integrata nei moduli Dewesoft SIRIUS ACC, è l'indicazione se il sensore è connesso e funzionante. I moduli SIRIUS DAQ utilizzano un LED verde che incornicia il connettore di input che si illumina di verde quando il sensore è connesso e funziona correttamente.

I sensori IEPE utilizzano quasi sempre un connettore BNC, quindi è importante che il condizionatore faccia lo stesso. Nella foto sopra puoi vedere il connettore di ingresso BNC di un modulo SIRIUS ACC.

Il supporto TEDS è molto utile in combinazione con sensori IEPE. TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) consente di memorizzare informazioni del trasduttore come unità di misura, fattore di scala, informazioni di calibrazioni e altro, in una memoria integrata secondo lo standard IEEE 1451.

Il condizionatore SIRIUS ACC può leggere queste informazioni dal sensore collegato, e impostare automaticamente il software. Il software Dewesoft X integra un database dei sensori che l'utente ha connesso, che può essere gestito dall'utente. TEDS è un enorme risparmio di tempo quando si deve connettere molti sensori in poco tempo, e previene anche errori di configurazione dovuti all'inserimento manuale.

La scelta dell'accoppiamento di ingresso è un'altra importante funzionalità che il condizionatore SIRIUS ACC fornisce. Puoi selezionare tra DC (off), e due impostazioni AC: 0.1 Hz e 1 Hz. In questo modo puoi eliminare componenti di segnale a bassa frequenza. 

E naturalmente, visto che stiamo misurando vibrazioni, alta banda, range dinamico e risoluzione verticale sono aspetti critici. Analizziamoli brevemente:

Alta banda

La risposta in frequenza di un condizionatore di segnale. Non ci è di aiuto avere un sensore in grado di misurare fino a 50 kHz quando il nostro condizionatore di segnale non ci riesce. Avere una banda sufficiente per rappresentare le componenti del segnale a frequenza più alta è chiaramente importante.

Il condizionatore SIRIUS ACC campiona a 200 kS/s/canale, garantendo una banda alias-free massima di 70kHz. Per applicazioni a frequenza più alta, la famiglia di condizionatori SIRIUS HS forniscono un campionamento di 1MHz/s/ch integrando un ADC SAR 16-bit, con filtro anti-aliasing a 100 kHz con caratteristica del 5° ordine.

Range dinamico

Un aspetto importante della misura da praticamente ogni sensore, ma specialmente da quelli dinamici come gli accelerometri, è il range dinamico. Definisce il rapporto tra il più grande e il più piccolo segnale che possono essere misurati. Ogni amplificatore ha due ADC che misurano contemporaneamente con un guadagno analogico alto e uno basso.

Questa tecnologia permette di acquisire tutto il possibile range di misura del sensore e previene eventuali tagli del segnale.Grazie alla tecnologia DualCoreADC® SIRIUS supera 130 dB di rapporto segnale-rumore e più di 160 dB di range dinamico. Vedi il video sotto.

Risoluzione verticale

I convertitori ADC a 24-bit forniscono una risoluzione verticale impressionante. Inoltre, potenti filtri anti-aliasing su ciascun canale ottimizzati per la frequenza di campionamento selezionata, prevengono che falsi segnali causati da sottocampionamento possano rendere la misura inutilizzabile.

Ma il numero di bit è solo una piccola parte della risoluzione SIRIUS. Per esempio, ogni modulo SIRIUS ha letteralmente DUE ADC a 24-bit. Uno è impostato ad un range molto grande, l'altro ad un range piccolo.

Il condizionatore di segnale utilizza automaticamente  il flusso di segnale migliore tra i due e crea un singolo flusso alla risoluzione migliore possibile. Dire che il SIRIUS ha una risoluzione di 24-bit è sicuramente riduttivo, il risultato di questa innovazione DualCoreADC permette di raggiungere una risoluzione verticale circa 20 volte superiore dei sistemi a singolo convertitore a 24-bit, con 20 volte meno rumore.

Scopri di più sulle misure di vibrazione:

Misurare vibrazioni ed urti con sensori accelerometriciLa guida definitiva alla misurazione di urti e vibrazioni. Scopri cos'è un accelerometro e qual è la differenza tra i vari tipi di sensori di vibrazione.

Condizionatore di segnale per Charge

Accelerometri Charge richiedono un condizionatore di segnale che sia in grado di leggere con alta impedenza il flusso di ioni (pC o pico coulombs), e convertirli in tensione di alto livello. Sono basati sullo stesso principio dei sensori IEPE (vedi sopra), ma non integrano un pre-amplificatore. Quindi non necessitano di alimentazione.

Purtroppo, la loro uscita in alta impedenza non trasmette il segnale così facilmente come l'uscita amplificata dei sensori IEPE. E' necessario utilizzare costosi cavi low-noise con lunghezza ottimizzata al fine di ridurre l'influenza del rumore sul segnale. Nonostante ciò, gli accelerometri charge sono ancora in uso perché forniscono il più alto range di temperatura operativa possibile, fino a 538°C e la più alta banda possibile. Sensori speciali sono realizzati con range di temperatura anche più ampi.

Le uscite dei sensori charge possono essere integrati per convertire le accelerazioni in velocità e integrati due volte per ottenere lo spostamento.

Il condizionatore SIRIUS CHG è un bell'esempio di condizionatore versatile. Oltre alla gestione dei sensori charge, può anche funzionare da condizionatore per basse tensioni e sensori IEPE.

Connettori

I sensori charge si trovano in commercio con tre tipi di connettori: BNC, TNC e 10-32. Il modulo SIRIUS CHG è disponibile sia con in BNC che con i TNC (in pratica BNC con filetto).

Accoppiamento ingresso

Questa è un'altra importante caratteristica implementata dal condizionatore SIRIUS CHG. E' possibile selezionare 0.01 Hz, 0.03 Hz, 0.1 Hz, 0.5 Hz, 1 Hz, 10 Hz o100 Hz. Quindi puoi eliminare i componenti a bassa frequenza e DC. Un aspetto molto importante se hai intenzione di integrare il segnale in quanto il risultato sarebbe influenzato in maniera importante da queste componenti.

E naturalmente, visto che stiamo misurando vibrazioni, alta banda, range dinamico e risoluzioni verticali sono molto importanti. Analizziamoli brevemente:

Alta banda

La risposta in frequenza del condizionatore di segnale. Non è utile avere un sensore che può misurare fino a 50kHz quando il condizionatore non ci riesce. Una banda sufficientemente elevata per rappresentare le componenti a frequenza più alta del segnale è chiaramente importante. Il condizionatore SIRIUS CHG campiona fino a 200 kS/s/canale, fornendo una banda alias-free fino a 80kHz.

Range dinamico

Un aspetto importante della misura da praticamente ogni sensore, ma specialmente da quelli dinamici come gli accelerometri, è il range dinamico. Definisce il rapporto tra il più grande e il più piccolo segnale che possono essere misurati. Ogni amplificatore ha due ADC che misurano contemporaneamente con un guadagno analogico alto e uno basso.

Ogni canale ha due ADC che misurano il segnale contemporaneamente con guadagno alto e basso. Questo permette di misurare l'intero range del sensore eliminando la possibilità che il segnale possa essere tagliato. Grazie alla tecnologia DualCoreADC® SIRIUS raggiunge più di 130 dB di rapporto segnale rumore e più di 160dB di range dinamico.

Risoluzione verticale

I convertitori ADC a 24-bit forniscono una risoluzione verticale impressionante. Inoltre, potenti filtri anti-aliasing su ciascun canale ottimizzati per la frequenza di campionamento selezionata, prevengono che falsi segnali causati da sottocampionamento possano rendere la misura inutilizzabile.

Ma il numero di bit è solo una piccola parte della risoluzione dei sistemi DAQ SIRIUS. Per esempio, ogni modulo SIRIUS ha letteralmente DUE ADC a 24-bit. Uno è impostato ad un range molto grande, l'altro ad un range piccolo. Il condizionatore di segnale utilizza automaticamente  il flusso di segnale migliore tra i due e crea un singolo flusso alla risoluzione migliore possibile.

Dire che il SIRIUS ha una risoluzione di 24-bit è sicuramente riduttivo, il risultato di questa innovazione DualCoreADC permette di raggiungere una risoluzione verticale circa 20 volte superiore dei sistemi a singolo convertitore a 24-bit, con 20 volte meno rumore.

Approfondisci le tematiche di filtraggio dei segnali:

Misurare vibrazioni ed urti con sensori accelerometriciLa guida definitiva alla misurazione di urti e vibrazioni. Scopri cos'è un accelerometro e qual è la differenza tra i vari tipi di sensori di vibrazione.

Condizionatore di segnale per Strain Gauge

I condizionatori Strain Gauge hanno probabilmente il compito più complesso nel mondo dell'acquisizione dati. Come prima cosa devono supportare schemi di cablaggio multipli, dalla relativamente semplice configurazione a ponte intero alle configurazioni da 1/4 e mezzo ponte, ciascuna con diverse opzioni di cablaggio. E quando qualcosa di diverso da un ponte intero è selezionato, ci si aspetta che forniscano resistenze necessarie per il completamento del ponte di Wheatstone.

Naturalmente, deve essere possibile regolare il guadagno (o sensitività), e impostare la tensione di alimentazione al sensore strain gauge (tensione di eccitazione). Il filtraggio è quasi sempre necessario con gli strain gauges, e questa funzione deve essere realizzata sia in hardware che in software, con ordine selezionabile (pendenza del filtro)

Questo sembrerebbe già abbastanza, ma ci sono parecchie altre necessità, ad esempio la possibilità di collegare una o più linee di sense e utilizzarle per azzerare la resistenza dei cavi che varia con la lunghezza e con l'auto riscaldamento. Inoltre, ogni strain gauge ha un Gage Factor - un numero prossimo a 2, che deve essere inserito e usato dal sistema per convertire la misura grezza mV/V proveniente dal sensore in una lettura di microstrain.

In generale, dovrebbe essere un opzione lasciata agli ingegneri se utilizzare il gage factor oppure no e scalare il segnale dal sensore in qualsiasi altro modo. Per esempio, i condizionatori per strain gauges sono anche utilizzati per celle di carico, in questo caso potremmo vedere la lettura in peso (kg o N). Tutte le opzioni dovrebbero essere disponibili.

Tutte le funzioni e caratteristiche descritte, sono la base per la progettazioni di qualsiasi condizionatore di segnale strain gauges serio.

Un esempio perfetto di un potente e flessibile condizionatore di segnale strain gauges è il modulo Dewesoft SIRIUS STG:

Ulteriori informazioni sugli estensimetri:

Guida completa ai Sensori Strain GaugeI sensori di deformazione e pressione sono ampiamente utilizzati in molte misurazioni statiche e dinamiche. Scopri le migliori pratiche e la teoria alla base della misurazione dell'estensimetro.

Condizionatore di segnale per LVDT

Il trasduttore LVDT (Linear Variable Differential Transformer) è utilizzato per misurare gli spostamenti/posizione lineare di distanze relativamente corte. E' realizzato come un corpo a forma di tubo e un nucleo interno. Il corpo viene normalmente mantenuto in una posizione fissa e il nucleo viene fissato a qualcosa che si muove.

Quando il nucleo viene estratto o inserito, l'uscita del sensore varia in modo da rappresentare la posizione del nucleo. Il nucleo non è in contatto con l'interno del corpo, rendendo il trasduttore praticamente senza attrito, e l'LVDT non contiene elettronica, rendendolo popolare in ambienti difficili.

Un condizionatore di segnale per LVDT deve fornire eccitazione AC al trasduttore per funzionare. L'alimentazione AC eccita l'avvolgimento primario che induce un segnale su ciascun avvolgimento secondario, entrambi racchiusi nel corpo. Il condizionatore deve essere in grado di leggere e scalare il segnale differenziale di uscita in maniera appropriata.

Un buon esempio è la combinazione del SIRIUS STG con l'adattatore DSI LVDT di Dewesoft. Il modulo STG ha praticamente tutto quanto necessario per funzionare come condizionatore di segnale LVDT ideale. Tutto quello che aggiungiamo è un piccolo adattatore chiamato DSI-LVDT al connettore di ingresso del modulo STG per renderlo compatibile a i trasduttori LVDT.

L'adattatore DSI-LVDT ha un chip TEDS integrato. Non appena collegato al SIRIUS-STG, il condizionatore legge le informazioni dal chip e si setta automaticamente per funzionare come condizionatore di segnale per LVDT. Gli ingegneri possono effettuare bilanciamento di zero e regolazione della scala a secondo delle necessità. Il DSI-LVDT genera l'eccitazione AC da 4 a 10kHz necessaria e permette regolazioni di fase tramite un piccolo potenziometro.

Condizionamento del segnale per LVDT per un gran numero di canali

Ideato per un grande numero di canali di condizionamento LVDT, il front end Dewesoft DS-16xLVDTr utilizza una unica architettura ratiometrica che consente di eliminare la maggior parte degli svantaggi associati al tradizionale utilizzo degli LVDT. Il DS-16xLVDTr combina le funzionalità di 16 adattatori DSI-LVDT in un modulo 1U per rack 19''. 

Il principale vantaggio di questo design è l'eccitazione sincrona con un segnale esterno connesso al BNC (connettore IN). Utilizzando più sistemi DS-LVDTr il segnale EXC può essere concatenato dal BNC OUT al BNC IN del sistema successivo per garantire la totale sincronia delle alimentazione e prevenire fastidiosi problemi di battimento.

Il sistema di acquisizione Dewesoft viene connesso tramite i 16 connettori DSUB-9M sul pannello frontale. Ogni connettore include un trimmer per la regolazione di fase. Sul pannello posteriore 16 connettori DSUB-9F (female) per la connessione dei sensori LVDT. DS-16xLVDTr supporta trasduttori in configurazione ponte intero e mezzo ponte.

Per maggiori dettagli sul SIRIUS STG, visitare la sezione condizionatore di segnale Strain Gauge sopra.

Condizionatore di segnale per Potenziometri a filo avvolto

Un potenziometro a filo avvolto è un sensore che misura la distanza. E' realizzato con un case che contiene una bobina di filo con una molla per il ritorno automatico al rilascio.

Il corpo del sensore viene montato in una posizione fissa, mentre il filo viene fissato a qualcosa che si muove, come una porta, una staffa o in generale un oggetto che si muove avanti e indietro rispetto a dove il corpo è fissato. Un buon esempio è il movimento tra l'asse di una ruota e il telaio, che si trovano ai due estremi della sospensione.

Un potenziometro a filo avvolto è funzionalmente simile ad un LVDT, ma il principio di funzionamento è diverso. Un LVDT utilizza un potenziale AC per misurare la posizione di un nucleo scorrevole mentre un potenziometro utilizza una resistenza variabile con la lunghezza del filo.

Dal punto di vista meccanico, il nucleo dell'LVDT si deve muovere in asse con il corpo, mentre il filo del potenziometro è libero di muoversi su un ampio arco dal punto di uscita dal corpo.

Per condizionare l'uscita di un potenziometro a filo avvolto, abbiamo bisogno di un condizionatore in grado di fornire eccitazione necessaria a misurare la variazione di resistenza nel sensore, e quindi leggere l'uscita. Eì anche necessario essere in grado di scalare la lettura in unità utile per la misura, come mm, cm, m, pollici, piedi, etc..

Un buon esempio è il modulo Dewesoft SIRIUS STG, in grado di fornire eccitazione e misurare piccoli segnali di tensione. Può effettuare misure di resistenza in una configurazione base mezzo ponte. Non sono necessari adattatori per collegare un potenziometro al condizionatore di segnale Dewesoft STG.

Per maggiori dettagli sul SIRIUS STG, visitare la sezione condizionatore di segnale per Strain Gauges sopra.

Condizionatore di segnale per Digitali

Gli ingressi digitali si occupano di vari compiti, dalla registrazione di semplici segnali on-off alla gestione di encored in quadratura particolarmente precisi, o pick up per ruote foniche per la misura di RPM, e altre varianti. Vengono chiamati digitali perché gestiscono segnali che possono avere solo due stati (alto o basso) al contrario dei segnali analogici che possono variare in maniera continua dal più piccolo al più alto valore.

Ingressi Digitali Discreti

Il più semplice ingresso digitale è di tipo on/off. A volte vengono chiamati anche canali discreti oppure canali eventi. Visto che possono esistere solo in due stati, essi sono spesso utilizzati per mostrare lo stato (aperto o chiuso, acceso o spento o altre configurazioni si/no).

Gli ingressi discreti sono normalmente generati da relé o trasduttori con livelli TTL (Transistor to Transistor Logic), che sono basati su pull-up 5V. In teoria, il segnale on/off perfetto TTL sarebbe 0V nello stato OFF (valore digitale 0) e 5V nello stato ON (valore digitale 1). Nella pratica è praticamente impossibile osservare tale precisione, quindi si definiscono dei range accettabili 0 - 0.8V per OFF e 2-5V per ON.

Discrete inputs are normally output from a relay or transducer at TTL (transistor to transistor logic) levels, which are based on a 5V pull-up. In theory, the perfect TTL on/off signal would be 0V representing OFF (meaning a digital value of 0), and 5V representing ON (meaning the digital value of 1). However in practice, it is nearly impossible to achieve such precision, so the acceptable ranges have become 0 to 0.8V for OFF and 2V to 5V for ON.

Questi ingressi digitali sono facilmente gestiti dagli ingressi Dewesoft SuperCounter®, disponibili su praticamente ciascun sistema DAQ Dewesoft. Questi ingressi dispongono di tre linee (A, B, Z) che possono gestire encoders e sensori RPM - oppure possono essere utilizzati come ingressi digitali discreti separati (IN0, IN1, IN2). E' importante notare che le linee digitali Dewesoft sono campionate a frequenze ben superiori alla frequenza di campionamento selezionata per gli ingressi analogici, ma sono precisamente allineati agli analogici nella scala tempi.

In applicazioni con un alto numero di semplici ingressi digitali, il sistema Dewesoft IOLITE offre un modulo di input a 32 canali. Questo modello 32xDI utilizza semplici terminali a vite per la connessione e fornisce alimentazione al sensore, ideale per un grande numero di canali di acquisizione in applicazioni di controllo.

Tacho, RPM, e Sensore Angolare

I canali Dewesoft SuperCounter possono misurare RPM e valori di angolo di macchine rotanti da un ampia varietà di sensori RPM, sensori di velocità, ed encoders. Se comparati ai counters standard, che restituiscono alla lettura solo un numero intero (es. 1, 1, 2, 2, 3, 4), i SuperCounters possono estrarre valori estremamente precisi come 1.37, 1.87, 2.37 ad ogni campionamento e in maniera completamente sincrona con i canali analogici.

Questo viene realizzato misurando il tempo esatto del fronte di salita del segnale con un secondo counter. Dewesoft SuperCounters campiona a ad una frequenza di 102.4 MHz, indipendentemente dalla frequenza di campionamento dei segnali analogici.

Ci sono parecchi sensori nel mercato che sono utilizzati per conteggio di eventi, misura di velocità, angolo, etc.. Questi includono:

• Encoder con 1, 2 o 3 uscite (A, B e Z segnale reset)

• Linear pulses e pulse encoder

• Optical tacho probe (1 impulso al giro) un adesivo catarifrangente per calcolare angolo e RPM

• Sensore Ruota Dentata (Gear tooth) con denti mancanti (e.g. 60-2) o denti doppi, CDM, CDM con zero, CDM con TRG

Tutti questi possono essere collegati al canale Dewesoft SuperCounter e configurati via software. Le uscite sono perfettamente sincrone con i segnali analogici, permettendo applicazioni avanzate come la misura di vibrazione rotazionale e torsionale, analisi combustione, analisi order tracking, bilanciamento, etc..

Il Software Dewesoft X integra una libreria per i principali tipi di sensori, ma permette anche di configurare il database per aggiungere nuovi sensori, rinominarli e richiamarli quando necessario in futuro.

Specifiche Generali del Counter