Sensorkalibrierung mit TEDS-Technologie

Kernstück der Datenerfassung ist die Spannungsmessung mit einem analogen Messwandler, sei es ein RTD, Beschleunigungsmesser, Dehnungsmessstreifen usw. Die Art und Weise, wie das Datenerfassungssystem das Spannungssignal basierend auf Informationen über den Messwandler interpretiert, macht die Messung verständlich. Beim Übergang von Rohspannung zu aussagekräftigen Daten wendet der DAQmx-Treiber je nach Messwandlertyp eine Vielzahl von Umwandlungen an. In der Regel handelt es sich dabei um Standardkurven und Gleichungen, die für den Messwandlertyp spezifisch sind. Die Sensorkalibrierung geht jedoch noch einen Schritt weiter, indem Messwandler einzeln betrachtet werden. Mit anderen Worten wird die Ausgangsspannung des Messwandlers basierend auf Metriken, die aus einer bestimmten Sensorkalibrierung gewonnen wurden, einer physikalischen Messung zugeordnet.

Die im EEPROM oder einer VTEDS-Datei des Sensors gespeicherten Daten werden komprimiert, um Platz zu sparen. Zum Abrufen und Interpretieren der Informationen wendet der DAQmx-Treiber eine Vorlage auf die Binärdaten an. Es gibt separate Vorlagen für jeden Sensortyp, vom Ladungsverstärker bis zum Thermistor. Zusätzlich zu diesen 16 Standardvorlagen können Sensoren eine von drei möglichen Kalibriervorlagen haben: Kalibriertabelle, Kalibrierkurve (Polynom) und Frequenzgangtabelle. Siehe Tabelle 1.

Die Kalibriertabellenvorlage beschreibt eine Lookup-Tabelle mit der elektrisch-physikalischen Übertragungsfunktion eines Messwandlers. Die Tabelle erfordert mehrere Wertesätze für die Parameter CalPoint_DomainValue und CalPoint_RangeValue. Siehe Tabelle 2.
Mit CalTable_Domain wird der Domänenparameter für die Kalibriertabelle entweder elektrisch (0) oder physikalisch (1) ausgewählt. Ein elektrischer Bereichsparameter wäre beispielsweise Spannung, während ein physikalischer Bereichsparameter Celsius wäre. CalPoint_DomainValue ist der Bereichsparameter für den kalibrierten Wert, ausgedrückt als Prozentsatz des gesamten Bereichs des Messwandlers. Wenn ein Thermoelement einen vollen Bereich von -300 bis 300°C hat, wäre CalPoint_DomainValue 50%, wenn das Thermoelement bei 0°C kalibriert würde. CalPoint_RangeValue ist die Abweichung der Bereichsmessung vom erwarteten Wert, ausgedrückt als Prozentsatz des gesamten Bereichs des Messwandlers. Ein um 5 °C deaktivierter Messwert würde einem CalPoint_RangeValue von 0,8333 % für dasselbe Thermoelement entsprechen. Abbildung 1 zeigt die Verwendung dieser Eigenschaften zur Bestimmung der Übertragungsfunktion des Sensors.
Die Vorlage Kalibriertabelle bietet eine einfache Möglichkeit, einige Datenpunkte für die Kalibrierung aufzuzeichnen. Dies ist besonders nützlich bei der Kalibrierung um einen sehr engen Wertebereich.

Manchmal ist es jedoch notwendig, einen Messwandler über seinen gesamten Bereich genau zu charakterisieren. Dies kann sich insbesondere bei einem Messwandler mit stark nicht linearer Übertragungsfunktion, wie einem Thermoelement, als schwierig erweisen. Dementsprechend bietet TEDS eine alternative Möglichkeit der Kalibrierung. Die Kalibrierkurvenvorlage definiert eine mehrsegmentige Polynomkurve, welche die elektrisch-physikalische Übertragungsfunktion eines Messwandlers beschreibt. Siehe Tabelle 3.
Die Gesamtfunktion wird stückweise beschrieben, wobei jedes Segment durch ein Array aus Koeffizienten und Potenzen definiert ist. Beispielsweise kann eine CURVE durch [(3,1),(2,5),(1,-2),(0,1)] beschrieben werden, wobei die Zahlen in Klammern als (CalCurve_Power,CalCurve_Coef) interpretiert werden. Dies würde zu der Polynomfunktion f(x) = x3 + 5x2 – 2x + 1 führen. Siehe Abbildung 2.
Jedes Segment der Funktion wird durch den Parameter CalCurve_PieceStart abgegrenzt, der den Startwert jedes Teils angibt. Jedes Segment wird durch sequenzielle Werte von CalCurve_PieceStart begrenzt, die unten geschlossen und oben geöffnet sind. Das Segment k in der obigen Abbildung enthält beispielsweise CalCurve_PieceStart _k, jedoch ohne CalCurve_PieceStart _k+1, wobei PieceStart _k den k ^-ten Wert für die Eigenschaft CalCurve_PieceStart bezeichnet. Dieses Segment ist eines von mehreren Polynomen, die die Übertragungsfunktion eines Messwandlers beschreiben können. Viele RTDs zeigen beispielsweise für einen Teil ihres Messbereichs ein lineares Verhalten und für den Rest ein Polynom.

Um die Vorlage Kalibrierkurve effektiv nutzen zu können, müssen mehrere Kalibrierpunkte entnommen und an eine polynomische CURVE angepasst werden. Dies kann deutlich mehr Zeit in Anspruch nehmen als das Erfassen einiger Datenpunkte für eine Kalibriertabelle. Der Kompromiss besteht jedoch in einer höheren Genauigkeit und einem größeren Bereich kalibrierter Werte.

Manche Messungen erfordern möglicherweise Informationen außerhalb des Zeitbereichs. Die Übertragungsfunktion des Frequenzgangs eines Messwandlers eignet sich besonders für Mikrofone und Beschleunigungsmesser. Der Frequenzgang jedes Schwingungs-Messwandlers ist beim Vergleich der Messwerte sehr wichtig. Messwandler mit einem breiteren Frequenzgang sehen mehr Vibrationen, wenn sie vorhanden sind als Messwandler mit schmalerer Bandbreite.

Die Vorlage Frequenzgangtabelle gibt die Übertragungsfunktion eines Messwandlers mit einer Lookup-Tabelle aus Frequenz-Amplituden-Paaren an. Ähnlich wie die Eigenschaften CalTable und CalCurve definieren TF_Table_Freq und TF_Table_Ampl Datenpunkte in der Amplituden-Frequenz-Übertragungsfunktion. Siehe Tabelle 4 und Abbildung 3.


Es kann jede Kombination dieser Kalibriervorlagen verwendet werden; jede ist jedoch auf eine andere Art der Messung zugeschnitten. Kalibriertabellen bieten eine einfache Möglichkeit, einen engen Bereich von Messwerten gründlich zu charakterisieren. Kalibrierkurven geben den Bereich des Sensors vollständig an, erfordern jedoch aufgrund der Berechnung eines Polynoms aus diskreten Messungen mehr Aufwand. Frequenzgangstabellen können mit einer der ersten beiden Vorlagen kombiniert werden, um weitere Informationen über das dynamische Verhalten eines Messwandlers zu erhalten.

Ein Thermoelement bietet ein einfaches Mittel, um die Verwendung und Praxistauglichkeit der TEDS-Kalibriervorlagen, insbesondere der Kalibriertabellenvorlage (ID 40), zu demonstrieren. Wie bereits erwähnt, besteht diese Vorlage aus mehreren Wertesätzen (CalPoint_DomainValue und CalPoint_RangeValue), die Punkte auf der CURVE der Übertragungsfunktion angeben.

Typische Kalibrierpunkte für Thermoelemente sind unter anderem der Gefrierpunkt von Wasser (0 °C), der Siedepunkt von Wasser (100 °C) und 270 °C. Zur Kalibrierung des Messwandlers müssen diese Temperaturmesswerte ihren entsprechenden Spannungen zugeordnet werden. Um Konsistenz und Standardisierung zu gewährleisten, müssen die Daten des Thermoelements mit einer NIST-rückführbaren Quelle verglichen werden, in diesem Beispiel einem SPRT (Standard Platin Resistance Thermometer). Dann kann jede Abweichung von der erwarteten Temperatur in der Kalibriertabelle vermerkt werden.

Wenn der SPRT beispielsweise 75 °C in einem Temperaturbad misst und das Thermoelement 72 °C misst, ist das Thermoelement um 3 °C oder 0,184 % seines gesamten Bereichs (-260 °C – 1372 °C) ausgeschaltet. Da 72 °C 10,17 % der Domäne (-260 °C – 1372 °C) sind, entspricht CalPoint_DomainValue 10,17 % und CalPoint_RangeValue ist gleich 1,184 % für diesen Kalibrierpunkt. Dieser Vorgang kann für beliebig viele Kalibrierpunkte wiederholt werden.

Nach dem Sammeln der Kalibrierwerte sollten diese in den TEDS-EEPROM des Thermoelements geschrieben oder in einer virtuellen TEDS-Datei (VTEDS) gespeichert werden. Im Allgemeinen empfiehlt es sich, die Daten zuerst in eine VTEDS-Datei zu schreiben und die Ergebnisse zu testen, bevor sie in den EEPROM geschrieben werden. Die TEDS-Zusatzbibliothek für LabVIEW 7.1 stellt die zum Erstellen der TEDS-Daten erforderlichen VIs bereit. Die Palette Create New TEDS Template unter NI Measurements » TEDS » Advanced TEDS enthält die Kalibriervorlagen-VIs. Siehe Abbildung 4.

Beachten Sie, dass dieses Dokument keine spezifischen Informationen zu den TEDS-VIs enthält. Weitere Informationen und ein vollständiges Beispiel finden Sie im Abschnitt Related Links.

Die erfassten Kalibrierdaten können mit Hilfe des VIs "DAQmx - TEDS konfigurieren" auf jede Messung mit dem Thermoelement angewendet werden. Der DAQmx-Treiber liest die Kalibrierinformationen automatisch ein und wendet sie auf alle nachfolgenden Messungen an, bis die Erfassung abgeschlossen ist. Die zu DAQmx TEDS gehörigen VIs befinden sich unter NI Measurements» DAQmx – Data Acquisition»DAQmx Advanced»DAQmx TEDS.

Der letzte Schritt besteht darin, die TEDS-Daten in den EEPROM des Messwandlers zu schreiben, so dass die Kalibrierdaten von anderen Datenerfassungssystemen verwendet werden können. Das VI "DAQmx - TEDS-Daten schreiben" (neu ab DAQmx 7.3) akzeptiert entweder einen binären TEDS-Bit-Stream oder einen VTEDS-Dateipfad als Eingang. Siehe Abbildung 5.

Ein vollständigeres Beispiel für die Thermoelementkalibrierung mit TEDS finden Sie im Abschnitt "Ähnliche Links".

Die Vorteile von Plug-and-Sensoren sind vielfältig. Eine verkürzte Rüstzeit und die automatische Konfiguration können die Produktivität steigern und die Gesamtkosten eines Messsystems senken. Die mit der TEDS-Schnittstelle angebotenen Kalibriervorlagen ermöglichen eine individuelle Charakterisierung von Messwandlern. Diese detaillierte Kalibrierung kann zu einer erhöhten Genauigkeit führen, die über die veröffentlichten Spezifikationen für einen gegebenen Sensortyp hinausgeht. National Instruments bietet eine Komplettlösung für ein TEDS-Erfassungssystem, einschließlich Hardware und Software zur Datenerfassung. Weitere Informationen finden Sie unter „Nützliche Links“.