Разработка и применение адаптированных систем для массовой калибровки датчиков

№ 1’2014
PDF версия
В статье представлен адаптированный для российского производителя специально разработанный комплекс систем для массовой калибровки и коррекции параметров датчиков давления, построенных на базе микросхем фирмы ZMDI. Подробно описаны недоработки стандартного аппаратно-программного обеспечения и способы их устранения. Представлены материалы, позволяющие глубже разобраться в тонкостях процесса настройки микросхем в режиме токовой петли.

Введение

На предприятиях и при серийном выпуске для настройки и калибровки датчиков часто за неимением выбора приходится использовать отладочные и демонстрационные платы, строго говоря, не предназначенные для этого. Данное обстоятельство не позволяет обеспечить высокую технологичность и заметно сказывается на конечной стоимости изделия. К счастью, в случае использовании датчиков, построенных на базе микросхем ZMDI, стала доступна система массовой калибровки, специально спроектированная для этих целей фирмой «Оникс-электро». Система может работать с различными типами датчиков, однако наибольшей эффективности по сравнению со стандартными средствами настройки система позволяет достичь при калибровке датчиков с токовым выходом. Разработанный комплекс для массовой калибровки датчиков включает аппаратное и программное обеспечение на русском языке, имеющее ряд преимуществ по сравнению со стандартным.

Так, помимо сложности и неудобности стандартного программного обеспечения, в нем содержится ряд принципиальных функциональных ограничений. Чтобы разобраться в природе этих ограничений, начнем с описания принципов работы микросхем ZMDI.

 

Диапазон линеаризации

Специализированные микросхемы фирмы ZMDI хорошо известны разработчикам и находят широкое применение в датчиках давления. Линейка преобразователей сигнала на данный момент содержит 17 микросхем с разными входными и выходными характеристиками, типоразмером и пр. Многие микросхемы помимо цифрового имеют также аналоговый выход. Наибольшей популярностью на отечественном рынке пользуется микросхема ZSC31050, особенностью которой является поддержка токового выхода (рис. 1).

Типовая схема включения микросхемы ZSC31050 в режиме токового выхода 4–20 мА

Рис. 1. Типовая схема включения микросхемы ZSC31050 в режиме токового выхода 4–20 мА

Микросхема предназначена для усиления и преобразования входного электрического сигнала с учетом температуры окружающей среды (рис. 2). Усиление осуществляется посредством программируемого аналогового модуля, с функцией компенсации начального смещения. Информация о температуре поступает в микросхему от встроенного или от внешнего термодатчика. Пересчет оцифрованного сигнала Zp и температуры Zt осуществляется по формулам:

Формула

где a и b — малые константы; PÎ[0,1] — выходное значение.

Функциональная диаграмма микросхемы ZSC31050

Рис. 2. Функциональная диаграмма микросхемы ZSC31050:
PGA — программируемый предусилитель;
MUX — коммутатор;
CMC — калибровочный микроконтроллер;
FIO1 и FIO2 — настраиваемые порты ввода вывода;
SIF — последовательный интерфейс; PCOMP — программируемый компаратор;
EEPROM — энергонезависимая память для хранения параметров настройки и калибровки; RAM — операционная память

Преобразование сигнала определяется восьмью коэффициентами (с0с7), хранящимися в энергонезависимой памяти микросхемы. Коэффициенты с0 и с1 — это, соответственно, начальное смещение и линейное усиление. Коэффициенты с2 и с3 отвечают за нелинейность второго и третьего порядка соответственно. Остальные коэффициенты задают температурную зависимость выходного сигнала на его нижнем и верхнем пределе. Для получения графического представления о том, как именно изменяется форма сигнала под действием каждого из коэффициентов, предлагаем взглянуть на трехмерные графики (рис. 3). Выходной сигнал может быть скомпенсирован и линеаризован в той же степени, в какой поведение входного сигнала может быть описано посредством представленных мод.

Графическое представление влияния калибровочных коэффициентов. (В горизонтальной плоскости отложены входной сигнал и температура, по вертикали — выходной сигнал)

Рис. 3. Графическое представление влияния калибровочных коэффициентов. (В горизонтальной плоскости отложены входной сигнал и температура, по вертикали — выходной сигнал)

 

Демонстрационно-отладочная плата от ZMDI

Фирменное программное обеспечение позволяет проводить настройку основных узлов микросхемы в ручном режиме, а также выполнять калибровку датчика (рис. 4).

Внешний вид отладочная плата для микросхем ZMDI

Рис. 4. Внешний вид отладочная плата для микросхем ZMDI

Для расчета коэффициентов программа использует динамически подключаемую библиотеку RBIC1.dll. Библиотеку можно использовать отдельно от программы, однако расчет коэффициентов в ней производится с некоторыми ограничениями. Для того чтобы понять, в чем заключаются эти ограничения, взглянем на калибровочное окно программы (рис. 5).

Калибровочное окно отладочной программы ZSC31050

Рис. 5. Калибровочное окно отладочной программы ZSC31050

На панели Acquire Raw Data вводятся значения давления Zp и температуры Zt, которые в дальнейшем будут использованы для вычисления коэффициентов. Три столбца соответствуют трем различным значениям температуры, четыре строки — четырем различным уровням входного сигнала. Значения P, которое после калибровки должно быть на выходе, вводятся на отдельной вкладке Press Target. Максимальное количество точек для калибровки равно восьми, как и число калибровочных коэффициентов. Каждой точке будет соответствовать свой набор из трех чисел (Zp, Zt и P). Подстановка этих чисел в формулу пересчета дает систему уравнений, решением которой является набор калибровочных коэффициентов с0с7.

Первое ограничение для стандартного софта заключается в том, что для каждого столбца данных температура фиксируется только один раз и, соответственно, одинакова для всех точек столбца. Аналогично, второе ограничение заключается в том, что для всех точек в строке выходные уровни P также одинаковы. Последнее не имеет значения при использовании цифрового способа вывода данных, но приводит к принципиальной невозможности точной калибровки датчиков с выходным сигналом в виде абсолютного значения тока или напряжения. Хотя в стандартной программе предусмотрена возможность коррекции токового выхода и выхода по напряжению (рис. 6), она не имеет температурной компенсации.

Окна подстройки токового выхода и выхода по напряжению

Рис. 6. Окна подстройки токового выхода и выхода по напряжению

Заявленный температурный коэффициент опорного напряжения микросхемы (а вместе с тем и абсолютного значения сигнала на выходе) может достигать по модулю 200 ppm/K, что для датчиков, работающих в широком температурном диапазоне, в большинстве случаев недопустимо. Для того чтобы ввести температурную коррекцию не только по входу, но и по выходу, необходимо, чтобы значения P можно было выставлять индивидуально для каждой точки калибровки. Сделать это, используя стандартные средства ZMDI, не представляется возможным, однако автор статьи разработал программно-аппаратный комплекс, позволяющий решить эту задачу.

Прежде чем приступить к описанию продукции своей фирмы, отметим другую существенную недоработку фирменного софта, а именно: необходимость вручную выставлять настройки предварительного усилителя. Чтобы определить, какие настройки нужно выставить при использовании сенсоров с известными параметрами, компания ZMDI предлагает использовать расчетные таблицы. Это неудобно и имеет смысл только для чувствительных элементов с небольшим разбросом параметров.

 

Предлагаемые адаптированные средства калибровки

По мере продвижения продукции ZMDI на российский рынок приходилось часто сталкиваться с жалобами на сложность в освоении и неудобство при эксплуатации стандартных средств настройки и калибровки. Понятно, что заказчик хотел бы иметь продукт, требующий от него минимального участия, который бы можно было без труда внедрить в производство. С учетом этих требований была разработана система массовой калибровки (СМК), позволяющая оптимальным образом одновременно настраивать до 254 датчиков. Один модуль СМК (рис. 7) содержит до 16 каналов подключения к датчикам; каждый канал имеет свой измеритель тока.

Внешний вид модуля системы массовой калибровки

Рис. 7. Внешний вид модуля системы массовой калибровки

На данный момент существуют две модификации системы для настройки датчиков с токовым выходом. Первая модификация предназначена для работы через однопроводной интерфейс, встроенный в токовую петлю, вторая —  для настройки датчиков через интерфейс I2C. Удачное конструктивное решение позволяет легко модифицировать систему под выполнение различных задач. Программа для работы с СМК имеет дружественный интерфейс.

Процесс настройки происходит поэтапно. Каждый этап настройки размещается на отдельной вкладке. На рис. 8 представлен этап предварительной настройки параметров усилителя входного сигнала и аналого-цифрового преобразователя. Все не используемые в данном типе датчиков настройки скрыты, что облегчает работу настройщика. В случае, когда параметры используемых чувствительных элементов имеют сильный разброс, индивидуальная настройка усиления для каждого канала может быть проведена в автоматическом режиме. Поскольку автоматический расчет конфигурации требует предварительных измерений в двух точках, его использование не всегда оправдано.

Вкладка конфигурации параметров

Рис. 8. Вкладка конфигурации параметров

В большинстве случаев при использовании керамических сенсоров в этом нет необходимости. После записи предварительных настроек в память микросхемы следует процесс настройки (рис. 9). Поскольку система многоканальная, визуально окно калибровки сильно отличается от соответствующего окна стандартной программы, однако можно заметить и некоторое сходство, например, в расположении кнопок выбора текущей точки калибровки. Вверху справа располагается выпадающий список, в котором можно выбрать количество точек, в которых будет произведена калибровка. Под ним — целевые уровни сигнала. На этом сходства заканчиваются.

Вкладка калибровки

Рис. 9. Вкладка калибровки

В связи с тем, что на датчике с токовым выходом, подключенным к стандартному напряжению 24 В, в рабочем режиме рассеивается до полуватта мощности, калибровка должна проходить с учетом саморазогрева. Для этого в СМК была введена специальная функция, реализованная следующим образом: после выбора точки калибровки датчик начинает пропускать через себя соответствующий ток, тем самым вводится нужный тепловой режим. Прогрев продолжается до тех пор, пока не будет нажата кнопка «Зафиксировать». Время прогрева определяет пользователь. Уровень входного сигнала важен только в момент фиксации. При фиксации точки в таблице в каждом канале образуется тройка чисел (Zp, Zt и P), а не одно число, как в стандартном софте. После заполнения таблицы производится расчет и запись калибровочных коэффициентов (рис. 10).

Вкладка расчета калибровочных коэффициентов

Рис. 10. Вкладка расчета калибровочных коэффициентов

Во всех модификациях системы расчет калибровочных коэффициентов проводится без использования сторонних библиотек путем прямого решении системы уравнений. Последнее дает возможность осуществлять более точную компенсацию всех нелинейностей измерительной системы в целом. На вкладке проверки (рис. 11) видно, как проходит выходной контроль датчиков. Настраиваемая цветовая маркировка помогает настройщику убедиться в том, что датчики настроены правильно.

Вкладка проверки

Рис. 11. Вкладка проверки

 

Коррекция нуля

При калибровке датчиков на СМК учитываются все основные факторы, влияющие на конечную точность, поэтому откалиброванные датчики не нуждаются в ручной подгонке. Однако ручная подгонка может потребоваться в дальнейшем при эксплуатации датчиков. Коррекция нуля, в случае его ухода, чаще всего может быть выполнена прямо на месте, без демонтажа датчика. При использовании микросхем ZMDI логичнее всего проводить цифровую коррекцию, изменяя соответствующим образом коэффициент с0 в памяти микросхемы. Для выполнения этой операции предлагается воспользоваться пультом коррекции нуля, он представлен на рис. 12. Устройство автономно, компактно, подключается в разрыв токовой петли. При отсутствии внешнего подключения пульт сам является источником питания для датчика. Устройство имеет встроенный миллиамперметр, что позволяет проводить коррекцию в автоматическом режиме.

Внешний вид пульта коррекции нуля и диапазона

Рис. 12. Внешний вид пульта коррекции нуля и диапазона

 

Заключение

Благодаря созданию адаптированных систем массовой калибровки, а также недорогих устройств для проведения сервисного обслуживания датчиков, микросхемы фирмы ZMDI становятся еще более привлекательными при построении малогабаритных измерительных систем.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *