1- پردازش سیگنال‌های آنالوگ
1-1 انواع سیگنال‌های آنالوگ
1-1-1 سیگنال ترموکوپل
ترموکوپل از سنسورهای اندازه‌گیری دما می‌باشد و درمورد آن در این مقاله به آن می پردازیم، ترموکوپل عمدتا در رنج دمایی بالا کاربرد دارد. این سنسور از دو فلز غیرهمنام که در یک نقطه به یکدیگر متصل شده‌اند ساخته می‌گردد. حرارت در نقطه‌ی اتصال، باعث ایجاد ولتاژ کوچکی در حد میلی ولت (mV) در دو سر آزاد ترموکوپل می‌شود. شکل 1-1 ساختمان ترموکوپل را نشان می‌دهد.
شکل 1-1 ساختمان ترموکوپل
نحوه‌ی اتصال به کارت
به‌منظور اتصال ترموکوپل به کارت Analog Input دو روش وجود دارد:
الف) استفاده از کابل جبران‌ساز (Compensation Wire)
در این روش برای اتصال ترموکوپل به کارت از کابلی با فلزات همجنس یا نزدیک به جنس فلزات به‌کار رفته در ترموکوپل استفاده می‌شود. شکل 1-2 نحوه‌ی اتصال از طریق این روش را نشان می‌دهد.
شکل 1-2
ب) استفاده از جبران‌ساز خارجی
در این روش برای اتصال ترموکوپل به کارت Analog Input از کابل معمولی (مسی) استفاده می‌شود. در این روش باید حتما از دستگاه جبران‌ساز یا ترمومتر مرجع استفاده نمود. شکل‌های 1-3، 1-4 و 1-5 نحوه‌ی استفاده از دستگاه جبران‌ساز ساخت زیمنس را نشان می‌دهند.
شکل 1-3
شکل 1-4
شکل 1-5
تبدیل سیگنال به دیتا
سیگنال دریافتی از ترموکوپل توسط واحد A/D در کارت AI به یک عدد صحیح علامتدار تبدیل می‌گردد. شکل 1-6 رابطه‌ی این تبدیلات را برای ترموکوپل نوع E نشان می‌دهند.
شکل 1-6
مقیاس نمودن دیتای ترموکوپل و RTD
برای مقیاس نمودن دیتای دریافتی از ترموکوپل یا RTD می‌توان آنرا تقسیم بر عدد 10 نمود تا مقدار واقعی محاسبه شود. البته بهتر است ابتدا فرم دیتا از Integer به Real تبدیل شده و سپس تقسیم انجام گردد. به شکل 1-7 توجه فرمایید.
شکل 1-7 برنامه‌ی تبدیل دیتای ترموکوپل به دمای واقعی در نرم‌افزار STEP7
1-1-2 سیگنال RTD
RTD از سنسورهای مقاومتی اندازه‌گیری دما می‌باشد که معمولا در دماهای رنج پایین کاربرد دارد. برخی از کاربردهای RTD می‌توان به اندازه‌گیری دما در مخازن، لوله‌ها، موتورها و … اشاره نمود. در شکل 1-8 یک نمونه RTD نشان داده شده است.
شکل 1-8
RTD دارای انواع و اقسام مختلفی می‌باشد که معروف‌ترین و پرکابرد‌ترین آن، مدل Pt100 می‌باشد. این سنسور در دمای صفر درجه دارای مقاومت 100 اهم بوده و با افزایش دما مقدار مقاومت آن تقریبا به صورت خطی افزایش می‌یابد.
انواع RTD از نظر وایرینگ
الف) RTD دو سیمه
در این روش RTD دارای دو سیم است که می‌توان آنرا به کانال ورودی در کارت AI متصل نمود. شکل 1-9 این اتصال را نشان می‌دهد. این روش دارای دقت مناسبی نمی‌باشد زیرا مقاومت سیم‌های RTD در مقدار اندازه‌گیری شده خطا ایجاد می‌نمایند. معمولا از این نوع RTD در صنعت کمتر استفاده می‌شود.
شکل 1-9 اتصال RTD دو سیمه به کارت AI
ب) RTD سه‌سیمه
در این روش RTD دارای سه سیم است که می‌توان آنرا به کانال ورودی در کارت AI متصل نمود. شکل 1-10 این اتصال را نشان می‌دهد. این روش دارای دقت مناسبی می‌باشد و کاربرد فراوانی در صنعت دارد.
شکل 1-10 اتصال RTD سه سیمه به کارت AI
ب) RTD چهار‌سیمه
در این روش RTD دارای چهار سیم است که می‌توان آنرا به کانال ورودی در کارت AI متصل نمود. شکل 1-11 این اتصال را نشان می‌دهد. این روش دارای دقت بالاتری نسبت به دو روش قبل است، زیرا مقاومت سیم‌های RTD در نتیجه تاثیر نمی‌گذارند.
شکل 1-11
تبدیل سیگنال به دیتا
سیگنال دریافتی از RTD توسط واحد A/D در کارت AI به یک عدد صحیح علامتدار تبدیل می‌گردد. شکل 1- 12 رابطه‌ی این تبدیلات را نشان می‌دهد.
شکل 1-12 رابطه‌ی تبدیل سیگنال RTD به دیتا
1-1-3 سیگنال ولتاژی
سیگنال ولتاژی را می‌توان از انواع ترانسمیترها یا ترانسدیوسرها دریافت نمود. مثلا برخی از سنسورهای اندازه‌گیری فشار (PT) دارای سیگنال خروجی ولتاژی می‌باشند. همچنین با استفاده از پتانسیومتر نیز می‌توان به صورت دستی سیگنال ولتاژی به کارت AI اعمال نمود.
اتصال به کارت
سیگنال‌های ولتاژی به‌صورت دو سیمه به کارت AI متصل می‌گردند. شکل 1-13 نحوه‌ی اتصال این نوع سیگنال به کارت AI را نشان می‌دهد.
شکل 1-13
توجه:
اگر از کارت در محیط های با نویز زیاد استفاده شود به منظور جلوگیری از بوجود آمدن اختلاف ولتاژ بین ورودی و ولتاژ مرجع ( Mana ) باید M- را به Mana متصل نمود.
ریزولیشن:
در کارت های آنالوگ مثلا AI 8 x 12 Bit عددی که بر حسب Bit بیان می‌گردد مبین حد تفکیک کارت می‌باشد. فرض کنید بخواهیم از این کارت با سیگنال ولتاژی 0-10 V DC استفاده کنیم در اینصورت حداقل ولتاژ قابل تشخیص توسط کارت از روش زیر بدست می‌آید:
2^12 = 4096 و X= 10V/4096 = 2.44 mv
تبدیل سیگنال‌های ولتاژی به دیتا
شکل 1-14 رابطه‌ی بین سیگنال‌های ولتاژی و دیتا را برای دو رنج 0-10 V و 1-5 V نشان می‌دهد.
شکل 1-14
1-1-4 سیگنال جریانی
| به جرات می‌توان گفت که سیگنال جریانی پرکاربرد‌ترین نوع سیگنال آنالوگ در صنعت می‌باشد. این سیگنال از انواع سنسورهای آنالوگ دریافت می‌گردد. در بین رنج‌های مختلفی که برای این نوع سیگنال قابل انتخاب است، رنج 4-20 mA دارای کاربرد بیشتری می‌باشد. شکل 1-15 برخی از انواع سنسورهای با سیگنال خروجی جریانی را نشان می‌دهد.
|
 |
شکل 1-15 چند نمونه سنسور با سیگنال خروجی جریانی
نحوه‌ی اتصال به کارت
سیگنال جریانی می‌تواند از سنسور دو سیمه یا چهار سیمه دریافت گردد که نوع دو سیمه‌ی آن متدوال‌تر می‌باشد. شکل‌های 1-16 و 1-17 نحوه‌ی اتصالات را نشان می‌دهد.
شکل 1-16 اتصال سنسور دو سیمه به کارت AI
شکل 1-17 اتصال سنسور چهار سیمه به کارت AI
