The Fundamentals of Signal Conditioning

ويعد تكييف الإشارات جسرا أساسيا بين نواتج أجهزة الاستشعار الخام ونظام اقتناء البيانات، إذ تنتج أجهزة الاستشعار في الميدان إشارات تكون ضعيفة في كثير من الأحيان أو غير صاخبة أو غير خطية أو تتنافى مع متطلبات المدخلات الخاصة بشركة ADC أو لجهاز المراقبة، حيث أن وحدة تكييف الإشارات تعمل على هذه الإشارات عبر مرحلة أو أكثر: التكدس، والكمية، والعزلة، والتصفية، والتحويل إلى نموذج قياسي موحّد.

(ب) زيادة حجم الإشارات المنخفضة المستوى - مثل الإشارات من أجهزة التردم أو السلاسل - إلى نطاق مناسب للرقمنة - يؤدي التصوير إلى إزالة الضوضاء الكهربائية وعناصر التردد غير المرغوبة، وتحسين نسبة الإشارة إلى الأرقام - ويتيح التحلل حاجزاً جافاً، ويحمي الإلكترونيات الحساسة من ارتفاعات عالية، ويحدث أخطاء في عمليات التحويل الرقمية (مراحل التصفية)

اختيار وحدة تكييف الإشارات الصحيحة ليس قراراً يناسب الجميع يتطلب تقييماً منهجياً لخصائص إنتاج أجهزة الاستشعار، هيكل النظام، الظروف البيئية، وقيود التكاليف، والفقرات الواردة أدناه تكسر العوامل الحاسمة التي تحدد ما إذا كان أحد الوحدات سيتدهور أو يعزز أداء شبكة الاستشعار الخاصة بك.

معايير الاختيار الحرجة

تبدأ عملية الاختيار بفهم واضح للمجس نفسه والبيئة التي يعمل فيها، وتُحدّد المعايير الرئيسية التي تحتاجها للتدقيق قبل الشراء.

خصائص نوع وخرج

كل درجة من أجهزة الاستشعار تولد نوع مميز من الاشارات الكهربائية، وجهاز حرق حراري ينتج كمية منخفضة المستوى (الموارد إلى الألف فولت) تكون ذات درجة عالية من الاعتماد على درجة الحرارة وغير خطية، وجهاز كهرباء مضاد للتوتر الحراري (محرك ثابت) يغيّر مقاومة الحرارة، ويتطلّب في كثير من الأحيان مصدر تواتر حالي أو دوارة جسور متطورة

ألف - المساهمات

"النوع من الـ"إم سي" من الـ"إم سي" سيتسبب في تشويش في المُتطرفين، بينما يُمكن أن يُهدر الكمّان الواضع للإستشعارات الاصطناعية، و يُمكن أن يُمكن للجهاز التحوّل أن يُستخدم عدداً ثابتاً من القطع، و بالنسبة للمجسّسات التي لديها مُنتجات صغيرة جداً، مثل نسبة الـ "إكسدة"

متطلبات الإفصاح

أجهزة الاستشعار ذات التردد العالي ملوثة بالضوضاء من خطوط الطاقة القريبة، الآلات، التداخل الترددي للراديو، وحتى التقلبات الحرارية داخل جهاز الاستشعار نفسه، يجب أن تتضمن نماذج التكييف الملائمة لقمع هذا الضجيج مع الحفاظ على ترددات الترددات العالية،

عزل غالفاني

والعزلة الكهربائية حرجة في البيئات الصناعية حيث توجد اختلافات كبيرة في الفولط بين أجهزة الاستشعار ونظام اقتناء البيانات، كما أن الحلقات الأرضية، التي تسببها نقاط متعددة في مواقع مختلفة، يمكن أن تحقن عشرات من فولت الضوضاء ذات الحركة المشتركة وتؤدي إلى قراء غير دقيقة أو أضرار في المعدات، وتستخدم المحولات أو أجهزة العزلة الميكانيكية أو الانقلابات الوعائية لكسر المسار الكهربائي المباشر.

القدرة على المنافسة

وحدات تكييف الإشارات تحتاج إلى مصدر طاقة مستقر، عادةً ما تكون شركة "دي سي" في حدود 5-30 خامساً. بعض الوحدات تقبل مجموعة كبيرة من المدخلات وتشمل أجهزة التنظيم الداخلي، بينما تحتاج وحدات أخرى إلى إشارة دقيقة، تحقق من استهلاك الطاقة في الوحدة، خاصة إذا كانت شبكة الاستشعار تعمل بالبطارية أو تستخدم نظاماً مُثبطاً يتراوح بين 4 و20 ميلاً مربعاً،

القيود البيئية والفيزيائية

إن الحركات غالبا ما تنتشر في ظروف قاسية: درجة الحرارة العالية، الرطوبة، الغازات التآكل، اليقظة، الصدمة، ينبغي أن تحدد صحيفة البيانات مدى درجات الحرارة التشغيلية (الصناعة - 40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، ممتدة أو عسكرية) والتسامح النسبي للرطوبة (غير مكثف)، وحماية الحركات (التصنيف من أجل أجهزة الإغلاق).

Accuracy and Long-Term Stability

إن دقة الإشارة المكيفة تتوقف على مقاومات الدقة داخل الوحدة، ومراجع الفولط، وأجهزة التصفيق، وكذلك درجات الحرارة الممتدة عبر الزمن ودرجة الحرارة، والمواصفات النموذجية تشمل خطأ في الربح، وخطأ في التسلسل، ودقة عامة كنسبة مئوية من القراء أو الحجم الكامل، وبالنسبة لقياسات الدقة (مثلاً، رصد درجة الحرارة في المختبرات)

بروتوكول التواصل بين الجوانب والاتصالات

ويجب أن تُسلَّم الإشارة المكيفة إلى نظام اقتناء البيانات في شكل قابل للاستخدام، وتشمل أنواع النواتج المشتركة الفولطية (0-10 V، 10 V)، والرقم الحالي (4-20 mA)، والتواتر، أو بروتوكولات الاتصال الرقمية مثل RS-485 (Modbus RTU)، والحافلات، أو النوافذ الصناعية (PROFINET، EtherCAT)، وهي نماذج غير متجانسة تُعدُّها نماذج مُعدَّدة.

مواظبة على أنواع محددة من أجهزة الاستشعار

والمعايير العامة ضرورية، ولكن كل فئة من فئات أجهزة الاستشعار تفرض مطالب فريدة على وحدة التكييف، وتبرز الأقسام الفرعية التالية الأسر المشتركة للاستشعار ومتطلباتها الخاصة للتكييف.

Thermocouples

وينتج الميكانيكيون تغيرات طفيفة للغاية في درجة الحرارة حسب ترتيب 10 إلى 60 ميكروغرام/س - وهي غير خطية بدرجة عالية، ويجب أن تتضمن وحدة تكييف لنظم الأشعة دون الحمراء، وأجهزة متعددة الغازات ذات مكسب يتراوح بين 100 و1000، كما يجب أن توفر تعويضات للفصل البارد (CJC) باستخدام جهاز قياس درجة حرارة الاختراق في الطرف النهائي.

RTDs and Thermistors

وتحتاج أجهزة الكشف عن درجات الحرارة المقاومة للمقاومة إلى مصدر حالي للضغط، وعادة ما تكون هذه الاتصالات ذات ثلاثة أو أربعة أسلاك لإلغاء أخطاء المقاومة الرئيسية، ويجب أن توفر وحدة التكييف مصدراً قياسياً دقيقاً منخفضاً (النموذج 1 ميغاواط للمصابين بالتهديدات ذات القدرة على الحركة) وأن تؤدي هذه الوحدة إلى إحداث تغيير في تشكيلات مقاومة الفولتار(24).

سترين غاوغس وخلايا اللواد

مقياسات السلاسل دائماً ما تكون مصممة في جسر ويستون وحدة التكييف يجب أن توفر تركيبة ثابتة لضغط الجسور (من 2 إلى 10 إلى 2) و مضخة مختلفة للكميات ذات الازدهار العائمة

أجهزة الاستشعار ذات التواتر (المؤثرات العالية، المصابيح المغنطيسية)

الحساسات التي تقاس سرعة التناوب أو التدفق أو الوضع الخطي غالبا ما تنتج ناتج تواتر يتناسب مع الكمية المقاسة

PH and Electrochemical Sensors

أجهزة الاستشعار الكيميائيه الكهربية تنتج اشارات عالية جداً تحتاج الى مضخم مع تحيز منخفض جداً في المدخلات الحالية في نطاق البيكومير

العوامل البيئية والموثوقية

بالإضافة إلى المواصفات الأساسية، يعتمد الموثوقية الطويلة الأجل على مدى حماية الوحدة من بيئة التشغيل، غالباً ما يقدم مصنّعو النماذج تقديراً ومصادقات تعطي الثقة في بقاء المنتج على مدى سنوات من الخدمة.

إن درجة الحرارة هي أكثر البارامترات البيئية أهمية، إذ يجب أن تعمل وحدة مخصصة للاستخدام في الأماكن الخارجية في المناطق الباردة عند 40 درجة مئوية دون تكديس، وفي خزانة بالقرب من محرك، يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة 60 درجة مئوية.

ومن الأمور الحيوية بالنسبة للتطبيقات على المركبات أو الأجهزة الدوارة أو بالقرب من المعدات الصناعية الثقيلة، والبحث عن نماذج تلبي معايير الارتعاش العشوائية أو معايير مماثلة، بالإضافة إلى أن تقديرات التوافق الكهرومغناطيسي، مثل التصنيفات IEC 61000-4-x للحصانة من التصريف الكهرومغناطيسي، والحقول المشعّة، والنموذج العالي للحصانة، لا غنى عنه في بيئة غير مواتية.

التكامل والمعايرة والاختبار

إن اختيار الوحدة هو نصف المهمة فقط؛ والإدماج في شبكة الاستشعار يتطلب تخطيطا دقيقا، محطات الربط المادي التابعة للوحدة، وأجهزة الاتصال بالشبكة، وأجهزة الاتصال بالشبكة، وأجهزة الاتصال بالشبكة، وأجهزة الربط التعميم M12، وربطها بكابلات التنظيف، وضمان سهولة استخدام الأسلاك الميدانية، ووحدات تركيب أجهزة الترميم ذات الصلصة الرقمية مشتركة في الدوائر الصناعية؛ وأجهزة تجميع العينات تناسب الضي الأصغر.

المُعايرة ضرورية لضمان أن نُتوج الوحدة مُطابق للقيمة الحقيقية المقاسة العديد من الأوعية المُعدّة تقدم شهادات معايرة مصنعية قابلة للتعقب إلى قسم التحقيقات الوطنيّة، في الميدان، يجب أن تقوم بعملية إعادة تأهيل دورية باستخدام إشارة مرجعية معروفة أو جهاز استشعار، بعض الوحدات تتضمن مواصفات ذاتية مُبنىة تستخدم فيها تركيبة ذاتية، تُمكّن من التحقق السريع.

وقبل النشر، تجري اختبارات دقيقة لمجس سلسلة الإشارات بأكملها، ونموذج التكييف، والكابل، وجهاز حيازة البيانات - باستخدام حافز مراقَب (مثل مصدر درجة حرارة معارَّف أو مقاوم للثبات) - قياس الناتج في عدة نقاط ومقارنة بالقيم المتوقعة، وإيلاء الاهتمام لتسوية الوقت بعد تكديس السلطة وأي سلوك متجاوز عند تبديل النطاقات.

الاتجاهات الناشئة في تحديد الإشارات

ويجري استكمال النهج التقليدي لشرط التناظر، وفي بعض الحالات استبداله بوحدات رقمية ذكية تدمج التعاون التقني فيما بين البلدان النامية، والتصفية الرقمية، والتسلسل، والاتصال على رقاقة واحدة، ويمكن تشكيل هذه الوحدات عن طريق برامجيات على حافلة، مما يقلل الحاجة إلى وضعيات يدوية للقفز، وتبسيط التركيب، فعلى سبيل المثال، يتولى جهاز إرسال عالمي الآن معالجة مدخلات الأشعة، وأجهزة البحث والتطوير، والكشف عن نوع واحد، وأجهزة التصوير المغنطيفيزيائي.

وتحصل وحدات تكييف الإشارات اللاسلكية على مسارات في تطبيقات الرصد عن بعد والأشعة دون الحمراء، وتجمع هذه الوحدات التي تعمل بالبطارية بين نهاية متقدمة مكيفة بدقة مع جهاز لاسلكي منخفض القدرة (مثلاً، جهاز " بلوتون لوت " ، أو شبكة لوروانو، أو IEEEE 802.15hoo)، مما يسمح بوضع أجهزة الاستشعار التي تكون فيها الأسلاك باهظة أو غير عملية، غير أنه يجب إيلاء اهتمام دقيق لتحديث الطاقة

تطبيقات عالية السرعة مثل تحليل الاهتزاز في مجال رصد صحة الآلات، صفائف البوابات المبرمجة ميدانياً تستخدم بشكل متزايد داخل وحدات تكييفية لتأدية تصفية رقمية في الوقت الحقيقي، وسرعة 4 درجات، وتحليل الظروف، هذه الوحدات التي تفرغ من التجهيز من المتحكم الرئيسي، وتوفر مجرى بيانات متغيرة ومكيفة،

خاتمة

واختيار وحدة قياس الاشارات المناسبة قرار متعدد الجوانب يؤثر مباشرة على دقة وموثوقية وقابلية للحفاظ على شبكة أجهزة الاستشعار الخاصة بك، بدءاً من تحديد ناتج جهاز الاستشعار الخاص بك بدقة، ومتطلبات نظامك للإسهام، ثم تقييم الوحدات استناداً إلى المعايير المبينة أعلاه: مدى المدخلات، والتصفية، والعزلة، والقدرة، والبيئة، والدقة، وبروتوكول الإنتاج.