مثالی برای نحوه انتخاب ماژول cDAQ متناسب با نیاز کاربر

در این مقاله میخواهیم با ارائه یک مثال عملی نحوه انتخاب یک سیستم cDAQ متناسب با نیاز کاربر را توضیح دهیم. در اینجا منظور از سیستم cDAQ مجموعه شاسی و ماژول مورد نیاز است.

تعریف مسئله

فرض کنید یک شرکت تولید‌کننده کمپرسور برای اندازه‌گیری فشار از ترانسدیوسر فشار مدل HBM-P3MB-20 استفاده می‌کند. این شرکت نیاز دارد تا اطلاعات خروجی این سنسور را دریافت کرده و سپس در رایانه پردازش کند. برای انتخاب بهترین سیستم cDAQ به صورت زیر عمل می‌کنیم.

مراحل گام به گام انتخاب دستگاه cDAQ مناسب

مرحله 1: مراجعه به دفترچه مشخصات فنی ترانسدیوسر فشار

با جستجوی ترانسدیوسر فشار HBM-P3MB-20 در گوگل دفترچه مشخصات فنی (data sheet) سنسور مورد نظر را پیدا می‌کنیم. مشخصاتی از فشارسنج که در انتخاب سیستم داده‌برداری ما موثر هستند عبارتند از:

1- تکنولوژی بکار رفته در فشارسنج چیست؟ (Strain Gauge یا Piezo)

2- آیا فشارسنج نیاز به تحریک الکتریکی دارد یا خیر؟ اگر نیاز دارد مقدار این ولتاژ چقدر است؟

3- ولتاژ خروجی فشارسنج در چه بازه‌ای است؟ بعضی از فشارسنج‌ها دارای آمپلی‌فایر داخلی بوده و ولتاژ خروجی آنها در بازه ولت V است. برخی دیگر از فشارسنج‌ها دارای آمپلی‌فایر داخلی نیستند و ولتاژ خروجی آنها در حد میلی‌ولت mV است. بازه ولتاژ خروجی در انتخاب سیستم داده‌برداری مناسب بسیار اهمیت دارد.

4- دقت سنسور (Sensitivity Tolerance)

تصویر 2 مشخصات فنی ترانسدیوسر فشار HBM-P3MB-20 را نشان می‌دهد.

مرحله 2: جمع‌بندی اطلاعات مربوط به ترانسدیوسر فشار

براساس اطلاعات فنی سنسور متوجه می‌شویم که:

1. ترانسدیوسر از تکنولوژی Strain gauge استفاده می‌کند.
2. حداکثر فشار سنسور 20 بار است که از نام سنسور یعنی عدد 20 در عبارت HBM-P3MB-20 مشخص بود.
3. ولتاژخروجی سنسور 2mV/V است، به این معنی که با توجه به منبع تغذیه ترانسدیوسر فشار ولتاژ خروجی در بازه میلی ولت است.
4. حساسیت سنسور 0.2% است.

همچنین در ادامه دفترچه فنی میتوان مشاهده کرد براساس پیشنهاد شرکت سازنده ولتاژ منبع تغذیه در چه بازه‌ای می‌باید باشد. (تصویر 3)

مطابق تصویر 3 شرکت سازنده پیشنهاد می‌کند تا ترانسدیوسر فشار به منبع تغذیه‌ای با بازه ولتاژ 0.5 تا 12 ولت متصل شود. فرض کنید ما از یک منبع تغذیه 10 ولتی برای تحریک سنسور فشار استفاده می‌کنیم. براساس اطلاعات تصویر 2 (ولتاژ خروجی برحسب mV/V) در صورت استفاده از منبع تغذیه 10 ولتی حداکثر ولتاژ خروجی سنسور عبارت است از

2mV/V x 10V = 20 mV

به عبارت دیگر ولتاژ خروجی ترانسدیوسر فشار HBM-P3MB-20 در صورتی که به منبع تغذیه 10 ولتی متصل شود در بازه 20 – 0 میلی‌ولت خواهد بود. یعنی زمانیکه فشار در ورودی ترانسدیوسر 0bar باشد خروجی سنسور 0 ولت بوده و زمانی که فشار 20 بار باشد خروجی سنسور 20 میلی‌ولت است. (برای مثال در صورتیکه از منبع تغذیه 7 ولتی برای تحریک ترانسدیوسر استفاده کنیم 2mV/V x 6V = 12 mV بازه ولتاژ 0 – 12 میلی‌ولت خواهد بود.)

همچنین با توجه به اینکه حساسیت سنسور 0.2% است به این معنی است که ولتاژ خروجی از سنسور می‌تواند دارای حداکثر خطای

20mV x 0.2% = 0.04mV

باشد. عدد 20 میلی‌ولت در رابطه بالا با فرض استفاده از منبع تغذیه 10 ولتی بدست آمده است.

انتخاب دستگاه داده‌برداری مناسب

مرحله 1: یافتن ماژول‌های متناسب

با مشخص شدن ویژگی‌های سنسور متوجه‌می‌شویم که به یک سیستم داده‌برداری‌ نیاز داریم تا بتواند ولتاژ 20 میلی‌ولت را با دقت حداکثر 0.04 میلی‌ولت اندازه‌گیری نماید. برای این منظور در سایت NI و در قسمت ماژول‌های ولتاژ cDAQ به دنبال ماژولی با مشخصات مورد نظر میگردیم. (تصویر 4)

با توجه به اینکه سایت ni.com به کاربر امکان فیلتر کردن دستگاه‌ها براساس مشخصات مختلف را می‌دهد از این ویژگی استفاده می‌کنیم و انتخاب می‌کنیم تا ماژول‌هایی که قابلیت اندازه‌گیری ولتاژ در بازه‌های 500mV +/- و 200mV +/- را دارند انتخاب نمایش داده شوند. تصویر 5 ماژول‌های مورد نظر را نشان می‌دهد.

مرحله 2: بررسی مشخصات فنی ماژول‌ها

در این مرحله و بعد از اینکه تعدادی ماژول با قابلیت اندازه‌گیری ولتاژ مورد نیازمان پیدا کردیم باید سایر مشخصات ماژول‌ها را بررسی بکنیم تا متناسب‌ترین دستگاه را انتخاب نماییم. از جمله سایر مشخصات ماژول‌ها که هنگام انتخاب مناسبترین ماژول باید به آنها توجه نمود موارد زیر هستند:

1- تعداد کانال‌های ورودی ماژول

تعداد کانال‌های ماژول نشان دهنده حداکثر سنسوری است که می‌توان به صورت همزمان به ماژول متصل نمود. برای مثال ماژول NI-9205 دارای 32 کانال ورودی است که به معنی اتصال 32 سنسور به صورت همزمان به آن است.

2- نوع کانال‌های ورودی ماژول (Single Ended or Differential)

نوع کانال ورودی به معنی این است که شما می‌خواهید ولتاژ خروجی از سنسور را به صورت مطلق و نسبت به ولتاژ زمین (ground) مدارهای الکتریکی اندازه‌گیری نمایید یا می‌خواهید اختلاف ولتاژ را اندازه‌گیری نمایید. دستگاه‌هایی که قابلیت اندازه‌گیری ولتاژ single ended را دارند می‌توانند ولتاژ differential را نیز اندازه‌گیری نمایند.

3- سرعت داده‌برداری یا sample rate

سرعت داده‌برداری بیانگرحداکثر تعداد دیتا در ثانیه است که دستگاه می‌تواند دریافت کند. برای مثال ماژول NI-9205 دارای سرعت 250kS/s است. به این معنی که دستگاه می‌تواند حداکثر 250.000 داده در ثانیه دریافت کند. نکته‌ای که در مورد Sample Rate باید به آن توجه کرد اینست که سرعت داده‌برداری برای کل کانال‌های دستگاه است. یعنی اگر شما تنها از یک کانال دستگاه استفاده نمایید می‌توانید در هر ثانیه 250.000 داده را دریافت نمایید، اما اگر همزمان از 2 کانال دستگاه استفاده کنید حداکثر تعداد داده‌هایی که هر کانال می‌تواند دریافت کند 250.000/2=125.000 داده است. اگر از 32 کانال دستگاه همزمان استفاده کنید سرعت داده‌برداری هر کانال 7812.5 نمونه بر ثانیه می‌شود.

4- رزولوشن

رزولوشن نشان دهنده دقت تبدیل داده‌های آنالوگ به دیجیتال است. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه پیشنهاد می‌شود به مقاله “مبانی سیستم‌های دریافت داده از سنسور” مراجعه نمایید.

برای مثال مطابق تصویر 5 ماژول NI-9205 دارای رزولوشن 16 بیت است. همچنین این ماژول دارای قابلیت تنظیم بازه اندازه‌گیری ولتاژ در بازه‌های 10V+/- و 5V+/- و 1V+/- و 200mV+/- است. حال اگر دستگاه را بر روی بازه 10V+/- قرار دهیم ولتاژ دستگاه و با توجه به رزولوشن 16 بیتی دستگاه حداقل ولتاژی که دستگاه می‌تواند اندازه‌گیری مطابق محاسبات زیر است.

و اگر دستگاه را بر روی بازه 200mV+/- قرار دهیم ولتاژ دستگاه و با توجه به رزولوشن 16 بیتی دستگاه حداقل ولتاژی که دستگاه می‌تواند اندازه‌گیری مطابق محاسبات زیر است.

البته نکته دیگری که باید در نظر گرفت دقت مطلق دستگاه (Absolute Accuracy) در بازه ولتاژ انتخابی است. با توجه به اطلاعات صفحه 7 دفترچه مشخصات فنی NI-9205 ، دقت مطلق ماژول با تغییر بازه اندازه‌گیری تغییر می‌کند. به عنوان مثال، در ± 10 ولت، دقت مطلق در مقیاس کامل 6.23 میلی ولت است. به این معنی که اندازه‌گیری تغییرات ولتاژی کمتر از 6.23 میلی ولت امکان‌پذیر نخواهد بود. حالا اگر بازه ولتاژ قابل اندازه‌گیری بروی ± 0.2 ولت یا همان 200mV تنظیم شود، دقت 174 میکرو ولت خواهد بود. اطلاعات مربوط به موارد دیگر مانند نویز و حساسیت را میتوان در سند پیوند بالا یافت.

مرحله 3: مقایسه مشخصات ترانسدیوسر و ماژول و انتخاب ماژول مناسب

مرحله نهایی مقایسه مشخصات فنی ترانسدیوسر با ماژول و در نهایت انتخاب ماژول مناسب‌ است. مهمترین پارامترهایی که در این مرحله باید مقایسه شوند:

1- پاسخ فرکانسی ترانسدیوسر (Frequency Response)

پاسخ فرکانسی یک سنسور نشان دهنده سرعت واکنش سنسور در برابر پدیده طبیعی است. مثلا یک سنسور فشار با پاسخ فرکانسی 4 کیلوهرتز یعنی این سنسور در هر ثانیه می‌تواند 4000 بار فشار را اندازه‌گیری نماید. پاسخ فرکانسی یک سنسور از جمله مشخصات ذاتی سنسور است. سنسورهایی که از تکنولوژی Stain Gauge استفاده می‌کنند دارای پاسخ فرکانسی پایین‌تری در مقایسه با سنسورهای پیزوالکتریک هستند.

در دفترچه راهنمای بعضی از سنسورها به جای پاسخ فرکانسی (Frequency Response) از مفهمومی با نام (Resonance Frequency) استفاده می‌شود. در صورتی که فرکانس رزونانس اعلام شده در دفترچه مشخصات فنی را تقسیم بر 3 بکنیم تقریبا پاسخ فرکانسی را بدست می‌آوریم. برای سنسور HBM-P3MB-20 فرکانسی رزونانس سنسور مطابق تصویر 6 است.

براساس اطلاعات تصویر 6 ترانسدیوسر فشار HBM-P3MB-20 دارای فرکانس روزونانس 15 کیلو هرتز است. در نتیجه بنابر آنچه گفتیم پاسخ فرکانسی دستگاه حدودا 5 کیلوهرتز است. به عبارت دیگر ترانسدیوسر فشار HBM-P3MB-20 در هر ثانیه می‌تواند حداکثر 5000 مرتبه فشار را اندازه‌گیری کند. بنابر تئوری نایکوییست (Nyquist Theorem) سرعت نمونه برداری دستگاه داده برداری باید حداقل 2 برابر پاسخ فرکانسی سنسور اندازه‌گیری باشد تا تمامی اطلاعات به دقت مناسب ثبت شود. بنابراین برای نمونه برداری از ترانسدیوسر فشار HBM-P3MB-20 که در هر ثانیه 5000 مرتبه فشار را اندازه‌گیری می‌کند، حداقل نرخ داده‌برداری ماژول مورد نظر باید 10kHz باشد. ماژول NI-9205 دارای سرعت داده‌برداری 250kS/s است. بنابراین از نظر سرعت داده‌برداری ماژول NI-9205 نیاز کاربر را برای دریافت داده‌های یک ترانسدیوسر فشار HBM-P3MB-20 تامین می‌کند.

مطابق مطالبی که بالاتر در قسمت سرعت داده‌برداری گفته شد می‌توان حداکثر و به صورت همزمان 25 ترانسدیوسر فشار HBM-P3MB-20 را به ماژول NI-9205 متصل نموده و داده‌های خروجی از این 25 ترانسدیوسر را با حداکثر سرعت ممکن دریافت کرد.

2- دقت خروجی سنسور

مطابق تصویر 2 و با فرض استفاده از منبع تغذیه 10 ولتی، بازه ولتاژ ترانسدیوسر فشار 20 – 0 میلی ولت است. با توجه به اینکه حداکثر فشار قابلاندازه‌گیری توسط HBM-P3MB-20 برابر با 20 بار است از محاسبه زیر میزان تغییرات ولتاژ خروجی ترانسدیوسر به ازای هر 1bar تغییر فشار بدست می‌آید.

با توجه به محاسبه فوق به ازای هر 1bar تغییر فشار ولتاژ خروجی ترانسدیوسر فشار 1mV تغییر می‌کند. بنابراین کارت داده‌برداری انتخاب شده باید قابلیت اندازه‌گیری 1mV را داشته باشد. مطابق محاسباتی که بالاتر و در قسمت رزولوشن انجام دادیم اگر بازه ولتاژ NI-9205 را که دارای رزولوشن 16 بیت است بر روی 10+/- ولت قرار دهیم حداقل ولتاژ قابل اندازه‌گیری 0.3 میلی‌ولت است که کمتر از 1 میلی ولت ترانسدیوسر فشار است. در نتیجه ماژول NI-9205 نیاز ما برای کار بار ترانسدیوسر فشار HBM-P3MB-20 را برآورده می‌کند. حتی می‌توان با قراردادن بازه اندازه‌گیری ولتاژ ماژول بر روی محدوده 200mV+/- فشارهای کمتر از یک bar را اندازه‌گیری کرد. زیرا در اینصورت حداقل تغییرات ولتاژ قابل اندازه‌گیری برای ماژول 6 میکرو ولت است.

در نتیجه ماژول NI-9205 می‌تواند انتخاب مناسبی برای داده برداری از ترانسدیوسر فشار HBM-P3MB-20 باشد.

منبع