برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

اشاره

مبادله سریال داده ها از ابزار دقیق منصوب در لایه فیلد تا اولین مدول های شبکه در پانل های  Remote I/O  یا کنترل کننده های محلی، اثر حداقل یکی از اغتشاشات محیطی یعنی تغییرات دما را در این فاصله مکانی کاملا حذف می نماید. این واقعیت یکی از مزایای به کارگیری بیشتر نرم افزارها در اندازه گیری پارامترها و کنترل فرآیند است. اگر چه در طراحی الکترونیک دستگاه های اندازه گیری، ترانسمیترها و نیز مدول های ورودی/خروجی، موضوع جبران نمودن اثر اغتشاشات تغییرات دما  در نظر گرفته می شود، ولی محدودیت های ساخت و تولید، نصب و راه اندازی و نهایتا نگهداری این ابزار سبب می گردد تا الگوریتم های ریاضی، به عنوان روش هایی برای افزایش کارایی سیستم های اندازه گیری به کار گرفته شوند. به این روش ها اصطلاحا الگوریتم های با هوش (Clever Algorithms) گفته می شود. در این مقاله ابتدا مشکلات برخی از روش های الکتریکی یا الکترونیکی جبران سازی بیان می گردد. سپس تعدادی الگوریتم های موجود برای جبران سازی نرم افزاری اغتشاشات دما بررسی می شوند.

 نیما ضمیری، شرکت کاویان افزار

 

جبران اثر تغییران دما روی عملکرد ابزار دقیق

تغییرات دما نه تنها بر خواص فیزیکی و شیمیایی پارامتر اندازه گیری شده تأثیر می گذارند، بلکه عملکرد دستگاه اندازه گیری را نیز تغییر می دهند. تغییرات دما در نقاط زیر تأثیرگذار هستند:

   -  موضوع اندازه گیری 
   -  دستگاه اندازه گیری  
   -  مبدل یا سنسور اندازه گیری              
   -  ترانسمیتر ولتاژ یا جریان       
   -  سیم های رابط

اگر سیستم اندازه گیری مجموعه ای از عوامل یاد شده تعریف گردد، سازنده یا کاربر سیستم برای جبران نمودن اثرات تغییر دمای محیط یا ماده تحت آزمایش، عملکرد همه مولفه های مرتبط را بررسی می نماید.

در این بخش به بررسی اثر تغییرات دما بر عملکرد سیستم های اندازه گیری و ابزاز دقیق پرداخته می شود. از آنجایی که بررسی همه مبدل ها (Transducers) میسر نیست، تنها به موضوع مبدل های فشار، فلو، دما و سطح اکتفا می گردد.

 

مبدل های فشار سیالات

از میان مبدل های بی شمار این گروه، دستگاه هایی که بر اساس کار کرد Strain Gage  طراحی می شوند، از صحت و دقت مناسبی برخوردارند. معمولا از چهار  gage یا دو  gage با دو مقاومت ثابت به عنوان المان های پل و تستون استفاده می شود. این پل روی دیافراگرم ضد زنگ پایداری حرارتی خوبی دارد. به کارگیری gage هایی که ویژگی های حرارتی نزدیک به هم دارند، اساس تولید این گونه دستگاه هاست. یعنی تولید کننده برای رسیدن به خصوصیات کاتالوگ باید از  gage های هم رفتار استفاده نماید.

ضریب دمایی دیافراگم و مواد بدنه مبدل نیز از نظر حرارتی منطبق (match) می شوند. سیلیکون یک کریستال کامل و برای جنس دیافراگم ماده بسیار مناسبی است. زنگ نمی زند و کشیده نمی شود. ولی باز هم رفتارهای حرارتی آن را باید با بالانس نمودن پل جبران نمود.

 

مبدل های فلو

در دستگاه هایی که مجذور افت فشار را در مبدل اندازه گیری می کنند، تأثیر تغییرات دمای محیط یا سیال بر اوریفیس یا لوله و نتوری در نظر گرفته می شود. همین تأثیر در انواعی از مبدل ها که از Strain Gage یا سنسورهای مکانی مانند  LVDT استفاده می کنند، لحاظ می شود. در مبدل های توربینی، تغییرات دما بر ترانزیستورهایی که با اثر هال (Hall effect) کار می کنند، به وسیله مدول حالت دهنده (Conditioner) سیگنال اندازه گیری جبران می شود.

فلومتر های الکترومغناطیسی نیز از اثر نویز دما در امان نیستند. در انواعی که میدان مغناطیسی با منبع AC تحریک می شود، تغییرات دمای سیال، هم بر نقش خازنی آن در اندازه گیری و هم بر اثر دی الکتریکی آن در میدان تأثیر می گذارند.

درون بیشتر سیالات متعارف، سرعت سیگنال های صوتی بنا به درجه حرارت سیال تغییر می کند. در مبدل های اولتراسونیک این اغتشاش در بخش الکترونیک دستگاه باید جبران شود.

 

مبدل های دما

یکی از مشکلات مشترک میان RTD ها، ترمیستورها و سنسورهای مدار مجتمع، گرم شدن طبیعی سنسور هنگام اعمال ولتاژ تغذیه است. این گرمای ناخواسته روی قرائت هایی که در زمان های گوناگون انجام می شود، تأثیر می گذارد. محل نصب این سنسورها نیز با توجه به اغتشاشات دمای محیط یا بدنه یا عایقی که سنسور به آن متصل می شود، انتخاب می شود.

مشکل "جبران سازی اتصال سرد" یا Cold Junction Compensation در ترموکوپل ها، با توجه به روش اندازه گیری این سنسور ها، غیر قابل اجتناب است. سازندگان، روش های گوناگونی برای حل مشکل دارند. ولی اکثرا از سنسورهای مجتمع درون ترانسمیتر برای جبران نمودن دمای نقطه یخ استفاده می کنند.

 

مبدل های سطح

اگر چه میله ای که شناور مبدل را روی سیال نگه می دارد، تا حدی با تغییرات دمای داخل مخزن تغییر شکل می دهد، ولی شاید بتوان گفت اثر اغتشاشات دمای محیط یا مایع روی اعداد قرائت شده قابل صرف نظر نمودن است. برای انواع مبدل های شناوری نیز در بسیاری از موارد، شناور از میله هادی بالا و پایین می رود و کنتاکت درون میله براساس موقعیت شناور عمل می کند. بنابراین مشکل میله نگهدارنده شناور کلا حذف می شود.

این موضوع برای بیشتر انواع مبدل های سطح صادق است و تغییرات دمای محیط و یا سیال، اثری بر مقادیر اندازه گیری شده ندارد. اگر مایع بر اثر تغییرات دما به تلاطم بیفتد و یا یخ بزند، موضوع مرتبط با عنوان این مطلب نیست.

 

روش های نرم افزاری برای تعدیل اغتشاشات دما

اولین نکته ای که باید به آن توجه نمود این است که دستگاه اندازه گیری در چه دمایی کالیبره شده است. همه روش هایی که در زیر به آنها اشاره می شود وقتی کاربرد دارند که طراح سیستم و یا کاربر دستگاه بخواهد اثر اغتشاشات دما را در محدوده ای خارج از دمای کالیبراسیون جبران نماید.

 

مدل سازی اثر تغییرات دما

یافتن یک تابع ریاضی مناسب برای مدل نمودن تغییرات اندازه گیری بر اساس تغییرات دما، یکی از روش های متداول برای تعدیل نرم افزاری اغتشاشات دما است. مدل سازی رفتار ترمودینامیک سیالات وقتی چگالی آنها کم نباشد، کاری دشوار می نماید. برای این منظور هم تئوری مولکولی و هم روش های آماری، راه حل قابل ارائه دارند. ولی انتخاب مبدل مناسب به کم اثر نمودن رفتار ترمودینامیک سیالات روی نتیجه اندازه گیری کمک می  نماید.

گاهی ممکن است اثر تغییرات دما بر نقاط مختلف سیستم با توابع متفاوتی مدل شود. آنگاه نرم افزار دستگاه این اختیار را به کاربر برنامه می دهد تا بتواند اثر توابع جبران ساز را در نقاط گوناگون، فعال یا غیر فعال نماید.

در صورتی که متغیر اندازه گیری شده با تغییرات دما به صورت خطی منحرف شود، یافتن دو یا سه نقطه معیار برای انجام محاسبات بعدی کافی است. در غیر اینصورت باید تابع ریاضی مناسب تقریب زده شود.

برای نمونه، این گونه فرض شود که فشار اندازه گیری شده در محدوده ای از دامنه اندازه گیری، ، تابع درجه دو از تغییرات دما باشد:

تابع (1) P (T)=P0 + α. (T-T0) + β. (T-T0)2       

در نتیجه تغییرات فشار با تابع شماره (2) تقریب زده می شود:

تابع (2)   ΔP = [α + 2β. (T-T0)]. ΔT             

یافتن ضریب α و β فرآیندی دقیق و زمانبر است. نتایج کار در  EPROM دستگاه و یا در یک فایل ذخیره می شود. پس از آن برنامه با دنبال نمودن فشار لحضه ای و دمای محیط یا سیال، اثر تغییرات دما را محاسبه و جبران می نماید.

استفاده از جداول معیار

در صورتی که نتوان اثر اغتشاشات دما را مدل نمود، می توان از Table lookup برای یافتن میزان جبران سازی استفاده کرد. بدین معنی که درون دامنه کار کرد دستگاه (مثلا 40 – تا 85 درجه سانتیگراد)، به ازای هر پله از تغییرات دمای محیط یا ماده تحت اندازه گیری، تغییر از عدد معیار ثبت و ذخیره می شود.

سپس دستگاه با استفاده از دنبال نمودن دمای اغتشاش، عدد انحراف را از درون جدول یافته، به عدد اندازه گیری شده اضافه و یا از آن کم می کند.

                                  جدول 1 – جدول جستجو برای جبران اغتشاشات دما

اندیس

دمای محیط (درجه سانتیگراد)

انحراف از معیار (واحد اندازه گیری)

1

0

0.010-

2

1

0.010-

3

2

0.009-

...

...

...

26

25

0.000

27

26

0.001+

28

27

0.001+

...

...

...

66

65

0.007+

 

بکارگیری منطق پیش خور

استفاده از منطق FeedForward به عنوان جبران کننده در برنامه اندازه گیری نیز یکی از روش های مناسب جبران سازی است.

شکل (1) بلوک دیاگرام یک سیستم کنترل با ورودی اغتشاش و جبران کننده پیش خور را نمایش می دهد:

        شکل  1 – بلوک دیاگرام یک سیستم کنترل با ورودی اغتشاش و جبران کننده پیش خور

              تابع تبدیل

رابطه میان خروجی و نویز از تابع شماره (3) به دست می آید:

تابع (3)     ( (C(s) / D(s) = ( Gcf2 (s) - Gcf1(s).Gp(s) ) / ( 1 + Gc(s).Gp(s

حال اگر Gcf2(s)=Gcf1(s)Gp(s) a انتخاب شود، اثر اغتشاشات (در اینجا دما) در خروجی سیستم دیده نمی شود. در برنامه برخی از کنترل کننده های دیجیتال، موضوع جبران سازی با روش Feedforward به صورت توابع بلوکی (FB) گنجانده شده و برنامه ریز یا برنامه نویس دستگاه می تواند از این امکانات استفاده کند.

 

روش خود یادگیری

یکی از روش های نرم افزاری برای تعدیل در اثرات اغتشاشات دما، قرار دادن دستگاه در شرایطی است که بتواند به طور خودکار اثرات ناشی از تغییرات دمای محیط را بر متغیر معیار وقتی هیچ تغییری بر آن اعمال نمی شود، ثبت نماید. الگوریتم های هوشمند برای یادگیری می توانند در سایر شرایط برای جبران اغتشاشات دما تصمیم گیری و محاسبه نمایند.

 

استفاده از فیلتر پایین گذر

استفاده از یک فیلتر پایین گذر هنگام نمونه برداری از سیگنال اندازه گیری شده می تواند برای حذف اغتشاشات دما موثر باشد. البته این کار زمانی شدنی است که پهنای باند سیگنال ورودی بسیار کمتر از سرعت تغییرات دمای محیط یا سیال باشد و یا کاربر سیستم بخواهد اثر اغتشاشات بسیار کوچک و سریع دما را حول نقطه کار نسبتا ثابت، حذف کند.                                      

                                           شکل 2 – نمونه کد برای فیلتر پایین گذار

کد نمونه 
 
 
نتیجه گیری

روش های نرم افزاری علاوه بر جبران سازی اثر اغتشاشات دما، ویژگی های سودمند دیگری نیز دارند که به کارگیری آنها را در سیستم اندازه گیری توجیه می نماید. افزایش قابلیت انعطاف و اعتماد دستگاه، امکان تغییر منحنی های جبران سازی با توجه به عمر دستگاه و یا رفتار ترمودینامیک ماده تحت اندازه گیری، امکان فعال یا غیر فعال نمودن الگوریتم یا الگوریتم های جبران سازی، امکان استفاده از مراجع بیرونی برای تنظیم یا کالیبراسیون دستگاه و برخی دیگر، کاربرد این روش ها را منطقی و عملی می نماید. استانداردهای الکترونیکی مانند مبادله سریال داده ها و یا نرم افزاری مانند XML و OPC ، امکان مبادله داده های اندازه گیری شده را با سیستم کنترل و مانیتورینگ فراهم می آورند. الگوریتم های هوشمند می توانند توابع اندازه گیری دستگاه را کاملتر کنند و اینترفیس های مناسب می توانند شرایط بهتری را برای کار کردن با دستگاه آماده نمایند.

 


http://mehdighadamgahi.blogfa.com/post-716.aspx

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :