מה זה איתות?

מיזוג אותות הוא עיבוד אלקטרוני החל תפוקה חיישן גלם לפני שהם יכולים לשמש באופן אמין על ידי מערכת בקרה או אנלוגי-ל-דיגיטלי ממיר (ADC) באוטומציה של בניין חכם, תהליך זה מבטיח כי מדידות מטמפרטורה, לחות, לחץ, דיקור, וחיישנים באיכות האוויר הם מדויקים, יציבים, וחסומי להפרעות חשמליות.

שרשרת ההמיזוג כוללת בדרך כלל שלבים כגון הדגימה, סינון, לינאריזציה, בידוד, המרה.כל צעד מתייחס לחסרון מסוים בסימן הגלם, בין אם זה נמוך אידוי, רעש גבוה, הבדלים פוטנציאליים קרקעיים, או תגובה לא ליניארית חיישן.המטרה היא להציג ייצוג נקי, בקנה מידה וספרתי של הפרמטר הפיזי למערכת ניהול הבנייה (BMS) או קצה.

מדוע שינוי המצב בבנין חכמים

מבנים חכמים מסתמכים על עשרות – לפעמים מאות – של חיישנים כדי להתאים את החימום, האוורור, מיזוג האוויר (HVAC), תאורה, אבטחה ושימוש באנרגיה.חיישנים אלה פועלים לעתים קרובות בסביבות חשמל קשות, כאשר מנועים, דחפים בתדר משתנה (VFDs), כדורי פלואורסנט, והחלפת כוח לייצר הפרעה אלקטרומגנטית משמעותית (EMI). אות גולמי מתרמוקופ"ל או התנגדות יכול להיות רק כמה שיותר מרעשים.

יתר על כן, בניית מערכות אוטומציה יותר ויותר להשתמש ברשתות חיישן אלחוטיות ובריצה ארוכה של כבלים.כבלים ארוכים מציגים טיפות מתח, טעינה קיבולית ורגישות להפרעות רדיו- ⁇ (RFI) ניתוק פיצוי על השפעות אלה על ידי מתן התאמה לזיהומים, אותות שונים, או שידור עכשווי-פרלופ.התוצאה היא נתונים אמינים המאפשרים למערכת הבקרה לשמור על טמפרטורה הדוקה, אופטימיזציה אווירית, ולהפחית צריכת אנרגיה על ידי 15% או יותר מאשר מערכות ללא תנאי.

יתרונות מערכתיים-Level

  • שיפור דיוק:0 (תיקון:0) שיפור: FLT:1 הסרת שגיאות ועלייה בסחף שומרת על המדידות בתוך ±0.1 ° C לאזורי HVAC מדויקים.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ,0) ,העברת חיי החיישן: מעגלי הגנה 1FIRLT 1 מונעים נזק מעומס יתר וספיציפי חולף.
  • (ב) חסכון:0) ניכויים: 1 פחתות קטנות יותר וכשלונות שדה להפחית את התחזוקה מעל פני השטח.

שיטות פעולה נפוצות

כל טכניקה מתייחסת לאתגר ייחודי במסלול החיישן-לבקר.מהנדסים בוחרים את השיטה המתאימה המבוססת על סוג חיישן, אורך כבל, סביבה ורזולוציה הנדרשת.

Amplification

חיישנים רבים מבני בניין מזהמים בטווח המיקרווולט או המילולי (Mermocouples), למשל, מייצרים רק כ-40 מיקרוV לדרגה Celsius. Amplification מעלה את האותות החלשים האלה לרמה שה- ADC יכול לדיגיטליזציה עם החלטה מלאה - בדרך כלל 0 עד 5 V או 0 ל-10 V. Instrument amplators הם מועדפים כי הם מספקים CMD משותף אחד (למשל, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, 1 ל- 5 V, 1 ל- 5 V, 0 עד 10 V, 0 עד 10 V, 0 עד 10 V, 0 עד 10 V, 000 V עד 10 V עד 10 V.

(FLT:0)Gain Selectionof 1 (ה) חייב לשקול את טווח קלט בקנה מידה מלא של ADC ואת פלט חיישן הצפוי המקסימלי.Over-amplification את האות; תחת בזבזני דגימה.כלל של אצבע הוא להגדיר את הרווח כך כי מתח החיישן המרבי צפוי שווה 80% עד 90% של מתח ההתייחסות של ADC.

סינון

רעש במבנים חכמים מגיע משני מקורות עיקריים: רעש מקווי חשמל ורדיו את EMI ממנועי ומדרים אלחוטיים.סינון מסיר תדרים לא רצויים אלה תוך שמירה על האות הבסיסי.

  • (FLT:0) פילטרים של קו רוחב: FLT:1 הסוג הנפוץ ביותר במיזוג חיישן.תדירות חיתוך רק מעל תדירות האות הצפויה הגבוהה ביותר (למשל, 10 הרץ עבור חיישן טמפרטורה) חוסם 50/60 ים ונזקים גבוהים יותר. הרץ מסננים פעילים באמצעות order Sallen-Key העליון מספקים גלגול חד- off עם אות מינימלי.
  • (FLT:0) מסננים (פסד): אנדרל 1 (ב) נועדו באופן ספציפי להסיר 50/60 הרץ התערבות קו כוח הרץ.אלה שימושיים כאשר אותות החיישן מכילים תדרים ליד התדירות הראשית ופס קטן פשוט יעית את המדידה.
  • (FLT:0) סינון פלילי: 1FLT:1אנדר לאחר המרה ADC, מסננים תוכנה כגון ממוצעים נעים או מסננים החציוניים יכולים להחליק עוד רעש חולף.

בידוד

לולאות קרקעיות מתרחשות כאשר חתיכות מרובות של ציוד קשורות לפוטנציאלי קרקע שונים, מה שגורם לזרם לזרום דרך אות המתפתל. זרם זה יכול לייצר מתחים משקעים הממריצים את אות החיישן.

  • (ב) ,0 (Optoisolators: FLT:1hil) השתמש LED ו phototransistor להעביר את האות ללא המשכיות חשמלית. Common בסימנים דיגיטליים ודרכים אנלוגיות מהירות נמוכה.
  • (FLT:0)Isolation amplifiers:FreaLT:1) לספק בידוד גליוני של עד כמה קילולובטים, הגנה הן החיישן והן על הבקר היקר מגלידות.מכשירים כמו AMC1301 מטקסס מכשירים או ADuM31 ממכשירים אנליקו משמשים נרחב בבניית אוטומציה.
  • (FLT:0) בידוד מבוסס טרנספורפורפורנטר: FLT:1 לעתים קרובות בשימוש בלולאות נוכחיות 4-20 מ'A, אשר חסינות מטבען טיפות מתח ומספקים דרך נוחה כדי לכפות את החיישן (כוח).

סטיות אנליסטים-to-Digital Conversion (ADC)

הצעד האחרון בשרשרת ההתקשרות האנלוגיה הופך את אות הניק למילה דיגיטלית.הבחירה של ארכיטקטורת ADC משפיעה על קצב הדגימה, הרזולוציה וצריכת החשמל.

  • (FLT:0) נספח (SAR) ADCs:03FLT:1 מציעים איזון טוב של מהירות (עד כמה MSPS) ורזולוציה (12 עד 18 סיביות) אידיאלי עבור אותות משתנים במהירות כמו מהירות אוויר או לחץ.
  • (FLT:0sigma-Delta ADCs:veFLT) 1 לספק החלטה גבוהה מאוד (עד 24 סיביות) במהירויות איטיות יותר.מושלם לטמפרטורה המשתנה, לחות וחיישנים CO2.
  • (ב) [15] , לעומת מהדורות שונות: ⁇ 1:1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יציבות מתח הפניה ADC לעתים קרובות להתעלם.הפניה מושכת מתורגמת ישירות לשגיאה מדידה.הפניות מתח כגון REF505050 יכולות להחזיק 5 V בתוך 0.05 אחוזים סחף מעל טווחי טמפרטורה תעשייתיים.

המונחים: specific Signal Conditioning

חיישנים שונים בבניין חכם מציגים דרישות התניה ייחודיות.הבנת הניואנסים האלה חיונית לתכנון תת-מערכות חזקות.

טמפרטורות חיישן

  • (FLT:0) Thermocouples:FLT:1 דורש פיצוי צו צומת קר (CJC) כי המתח שנוצר תלוי הבדל הטמפרטורה בין המדידה לבין צומת ההתייחסות.
  • (FLT:0RTDs (Resistance טמפרטורה Detectors): 1FLT:1 השינוי ההתנגדות הקטן (0.385 ⁇ / ° C עבור Pt100) דורש מקור קבוע מדויק או תצורה של גשר חיטה.
  • (FLT:0) Thermisteurs:FLT:1 גבוה לא לינארי, הדורש שולחן מבט או לינאריזציה פולינומית בתוכנה. A מתח מתחלק עם סדרה מדויקת התנגדות הוא המעגל הפשוט ביותר, אבל אפקט חימום עצמי חייב להיות מצטמצם על ידי שמירה על הפחתת ההפחתה הנוכחית.

הומור וחושפי גז

חיישני לחות קפצויים משנים את היבול עם לחות יחסית. Anoscillator או capacitance-to-דיגיטלי ממיר (למשל, AD7746) מודד את השינוי.האות הוא רגיש ל Capacitances parasitic מן עקבות PCB, כך פריסה זהירה טבעות יש צורך. עבור חיישנים באמצעות אלגוריתמים שאינם NDpers אינפרא אדום (IR) טכנולוגיה, גרגר חשמלי הוא דורש מפלט זעיר מפוספסדמן אחר גלאי נמוך מאוד מפוספס.

חיישן תנועה וכושר

חיישני אינפרא אדום פסיבי (PIR) יוצרים דופק מתח כאשר האלמנט הpyroelectric חש שינוי בקרינת אינפרא אדום.האות הגולמי הוא רק כמה מ"ל וולט וכולל סחף נמוך משינויים בטמפרטורה. פילטר גבוה (סיבוב סביב 0.1 הרץ) מסיר את הסחף, ואת שלב עלייה של 100 עד 1000 × מגבר את הדופק. Apar עם hysteria ואז להמיר את המולקולות לתוך גל דיגיטלי.

חיישן לחץ ואוויר

חיישני לחץ שונים המשמשים בלחץ סטטי או ניטור מסנן לעתים קרובות לייצר מתח יחסי פרופורציה ללחץ יישומי. אותות אלה זקוקים למיזוג מינימלי מעבר לגברה וסינון נמוך, אך תשומת לב זהירה אורך הצינור ו condensation נדרש.עבור aemometers-wire חם המשמש למדידת זרימת אוויר, השינוי הקטן בהתנגדות עקב קירור דורש משוב (cont-temptureometer) מוסיף את המורכבות.

Components and Circle Design for Signal Conditioning

(החלים הנכונים מעבר לרכיבי החיישן IC. Passive - מתנגדים, קפצויים, ומחנכים - חייבים לבחור ליציבות טמפרטורה, סובלנות ודירוג מתח.FLT:0Thin-film מתנגדים (FLT:1 עם 0.1% סובלנות וטמפרטורה נמוכה (pm/C) הם סטנדרטיים לטכנולוגיות של הגדלת דיוק.

פריסת מועצת המנהלים היא קריטית באותה מידה. Analog וקטעים דיגיטליים צריכים להיות מופרדים פיזית, עם מטוס קרקע מוצק ורעב מעומקים כדי להימנע לולאות קרקעיות.משמר עקבות סביב קלטות ממושכות להפחתת זרמי הדלפות.זוגות אותות שונים (למשל, עבור RS-485 תקשורת) יש ליישר יחד עם חסמים מבוקרים.

אתגרים בהגדרת תנאי אות עבור מבנים חכמים

בעוד התיאוריה מבוססת היטב, יישום מעשי עומד בפני מכשולים שיכולים לפגוע בביצועים אם לא לטפל בהם.

  • (FLT:0) סחף טמפרל: 1FLT מעגליות מותקנות בחדרים מכניים ללא תנאים, גגות או קירות חיצוניים רואים תנודות טמפרטורה גדולות - במיוחד מתחים מפוסקים של דגימת האופי - יכולים להציג שגיאות כי מעבר הדיוק של החיישן עצמו.
  • (FLT:0) Power Supply רעש:FLT:1 החלפה רגולטורים בבנייה בקרים מזרקים לתוך אספקת מעגל המיזוג. , הרגולטורים ייעודיים נמוך (LDO) עם יחס דחייה גבוה כוח (PSRR) הם חיוניים עבור סעיפים אנלוגיים.הזנת המעגל מ הרגולטור ליניארי נפרד כי הוא לאחר סינון עם LC מספק שכבה נוספת של הגנה.
  • (FLT:0) שחרורים חשמליים (ESD) ו transients:FLT:1 חיישנים ארוכים משמשים אנאנטנות כי זוג גלידות מושרה ברקים ואירועים ESD. Protection diodes (TVS diodes) ו-סדרה מתנגדים במחברת להגביל את האנרגיה שמגיעה למעגל המיזוג.
  • (FLT:0Crosstalk בין ערוצים:FLT:1 כאשר חיישנים מרובים חולקים כבל אחד או מטוס אחורי, הפיכה קיבולית יכול להזריק אותות מערוץ אחד למשנהו.מגן כל זוג מעוות באמצעות שידור שונה עם סיום הולם מפחית את המעבר למטה -80 dB.
  • (FLT:0Calibration andהזדקנות:FLT:1 כל מעגל מיזוג מציג קצת מהפך ולהשיג שגיאות. שגרת קלמנט תקופתית - מבוצעת לעתים קרובות במהלך מערכת עמלות ולאחר מכן שנתי - מאמת את התוכנות או trims רב עוצמה דיגיטלית כדי לשמור על חיישן דיוק.

שיטות טובות למהנדסים ולטכנאים

בין אם עיצוב מערכת אוטומציה חדשה של בנייה או רטרופורציה של קיים, לאחר קבוצה של פרקטיקות מוכחות מבטיחות אות.

  1. (FLT:0)Start with a noise Budget:FLT:1) לקבוע את הדיוק הכולל הנדרש ולעבוד לאחור דרך שרשרת האותות.לבטל שגיאות אפשריות לכל שלב - חיישן, הדגימה, סינון, ADC ותוכנה.זה מונע תכנון יתר על המידה או תחת פיקוח של כל מרכיב אחד.
  2. (FLT:0)Use מוגן כבלים מעוותים לכל אותות אנלוגיים.FreaLT:1 Connect theמגן בקצה אחד בלבד (בדרך כלל הצד הבקר) כדי להימנע מלשאות קרקעיות.עבור 4-20 מ'A לולאות, מעוותים ללא מגן הוא לעתים קרובות מספיק, אבל באזורים גבוהים, מגנים כבל נשאר סטנדרטי.
  3. (FLT:0) שפע של כוח תקין ריצוף.FLT ( 1 חיישנים ומיזוג מעגלים צריך להיות מופעל לפני ADC ובקר מופעלים.
  4. (FLT:0Add test Points andאבחון LEDs.FreaLT:1) במהלך העמלה, לאחר נקודות מבחן נגישות עבור נודים נימוסים (למשל, מפיץ, פלט סינון) מאיץ פתרון בעיות. כמה מודרניים AFE ICs כוללים אבחון מובנה עבור זיהוי פתוח-wire ואינדיקציה לטווח יתר.
  5. (FLT:0) ביצוע שרשרת ההזנה.FLT:1) ליצור תרשים בלוק המציג רווח, סינון מסנן, פתרון ADC, ומתח ההתייחסות לכל סוג חיישן.התיעוד הזה הוא בלתי יקר במהלך תחזוקה או בעת הוספת חיישנים חדשים מאוחר יותר.
  6. (FLT:0)Consider Digital Identityמיזוג עבור אדריכלות מבוזרת.Build.ph.1 עם הצמיחה של IoT בבניית אוטומציה, מערכות רבות מבצעות כעת מיזוג ב- חיישן node (edge) באמצעות מיקרו-בקרים עם ADCs משולבים.This מקצר נתיבי אות אנלוגיים, מקטין את עלות הכבלים ומאפשר תקשורת דיגיטלית על אוטובוס מאובטח כמו BAC MSnet /TP או Modbus RTU, עם זאת, אנלוגי עדיין לעמוד בסטנדרטים אלה.

מגמות עתידיות ב-Desion Conditioning for Smart Buildings

(הבניינים הופכים לחכמים יותר, המיזוג מתפתח במספר כיוונים:0) ,Wireless חיישן nodescioFLT:1 עכשיו כוללים מעגלי מיזוג עצמיים המשמשים מתחים התייחסות שבבים וביטול אוטומטי, צמצום הצורך בהחלפת חומרים מתחום הדחיסה ידנית (FLT:2Edge computingFLT) דוחף את העיבוד קרוב יותר ל-Ip, אך מאפשר החלפת כוח חדש, כגון:

מגמה נוספת היא שילוב של למידת מכונה ישירות לתוך נתיב ההמיזוג. על ידי ניתוח המאפיינים הרעשים של חיישן, מערכת ההמיזוג יכולה להתאים את קידוד המסנן שלה כדי לדכא התערבות לא-התמדה - משימה בלתי אפשרית עם מסננים אנלוגיים קבועים.זה "מיזוג חכם" כנראה יהיה תכונה סטנדרטית בקרי אוטומציה של הדור הבא.

לבסוף, מאמצי סטנדרטיזציה כגון FLT:0 BACnetig InternationalFLT ( 1:1) הנחיות עבור רמות אותות חיישן ואת FLT:2ASHRAE 135FLT 3 תקן להמשיך לדחוף עבור רב-משמעי, גבוה נאמנות גבוהה אות מיזוג על פני מוצרים של יצרנים שונים.מהנדסים אשר נשארים היכרות עם סטנדרטים אלה יהיו מצוידים טוב יותר עבור מערכות עיצוב המספקים חיסכון אנרגיה ונחישות טכנולוגית חכמה כי מבטיח מבטיח.

מסקנה

מיזוג אותות הוא עמוד השדרה הבלתי נראה שהופך את אוטומציה בניין חכם אמין.על ידי הגדלת אותות חלשים, סינון רעש, שובר לולאות קרקע, ו המרת מדידות אנלוגיות לנתונים דיגיטליים מדויקים, מעגלים מתנייה להבטיח שכל חיישנים קורא הוא אמין. מהנדסים שמשקיעים זמן להבנת קצבאות של הגדלה, סינון, בידוד ו- ADC יספקו מערכות להשגת שליטה הדוקה יותר, צריכת אנרגיה נמוכה יותר, ונדרשות יותר, כמו גם היום כוח חיים קריטי.

(ב) לקריאה נוספת על ניתוח בחירת ADC ורעש, מתייחס ל-FLT:0 (Analog Devices’s Basics of sigma-delta ADCssph 1 ו- Texas Instruments'FLT:2application Note on Sensorion shapeationion shapeFLT 3: 7) תקני תעשייה לבניית אוטומציה ניתן לחקור באמצעות אתר האינטרנט של F:4BACLTF:5 ו-FASHELT5 LT5 LT5 .