Calibración de sensores con tecnología TEDS

El núcleo de la adquisición de datos es una medición de voltaje de un transductor analógico, ya sea un RTD, acelerómetro, medidor de tensión, etc. Es la forma en que el sistema de adquisición de datos interpreta la señal de voltaje basándose en información sobre el transductor lo que hace que la medición sea inteligible. En la transición de voltaje bruto a datos significativos, el controlador DAQmx aplica una variedad de conversiones dependiendo del tipo de transductor. Típicamente, estas son curvas estándar y ecuaciones específicas para el tipo de transductor. Sin embargo, la calibración de sensores lleva este proceso un paso más allá al considerar transductores de forma individual. En otras palabras, la tensión de salida del sensor se mapea a una medición física basada en métricas obtenidas de una calibración específica del sensor.

Los datos almacenados en la EEPROM del sensor o en un archivo VTEDS se comprimen para ahorrar espacio. Para recuperar e interpretar la información, el controlador DAQmx aplica una plantilla a los datos binarios. Existen plantillas separadas para cada tipo de sensor, desde amplificadores de carga hasta termistores. Además de estas dieciséis plantillas estándar, hay tres plantillas de calibración: una tabla de calibración, una curva de calibración (polinómica) y una tabla de respuesta en frecuencia. Véase el cuadro 1.

La plantilla de tabla de calibración describe una tabla de búsqueda con la función de transferencia eléctrica a física de un transductor. La tabla requiere varios conjuntos de valores para los parámetros CalPoint_DomainValue y CalPoint_RangeValue. Véase el cuadro 2.
CalTable_Domain se utiliza para seleccionar el parámetro de dominio para la tabla de calibración como eléctrico (0) o físico (1). Por ejemplo, un parámetro de dominio eléctrico sería voltaje, mientras que un parámetro de dominio físico sería Celsius. CalPoint_DomainValue es el parámetro de dominio para el valor calibrado, expresado como porcentaje del rango completo del transductor. Si un termopar tiene un rango completo de -300 a 300 °C, entonces CalPoint_DomainValue sería del 50% si el termopar se calibrara a 0 °C. CalPoint_RangeValue es la desviación de la medición del rango del valor esperado, expresada como porcentaje del rango completo del transductor. Una lectura desactivada en 5°C correspondería a un CalPoint_RangeValue de .8333% para el mismo termopar. La Figura 1 a continuación ilustra el uso de estas propiedades para especificar la función de transferencia del transductor.
La plantilla de tabla de calibración proporciona un medio simple de registrar algunos puntos de datos para fines de calibración. Esto es particularmente útil cuando se calibra alrededor de un rango muy estrecho de valores.

A veces, sin embargo, es necesario caracterizar con precisión un transductor en toda su gama. Esto puede resultar difícil, especialmente en el caso de un transductor con una función de transferencia altamente no lineal, como un termopar. En consecuencia, el TEDS proporciona un medio alternativo de calibración. La plantilla de curvas de calibración especifica una curva polinómica de varios segmentos que describe la función de transferencia eléctrica a física de un transductor. Véase el cuadro 3 infra.
La función general se describe de manera fragmentada, cada segmento definido por una serie de coeficientes y potencias. Por ejemplo, una CURVE puede ser descrita por [(3,1),(2,5),(1,-2),(0,1)], donde los números entre paréntesis se interpretan como (CalCurve_Power,CalCurve_Coef). Esto se traduciría en la función polinómica f(x) = x3 + 5x2 – 2x + 1. Véase la figura 2 infra.
Cada segmento de la función está delimitado por el parámetro CalCurve_PieceStart, que especifica el valor inicial de cada pieza. Cada segmento está delimitado por valores secuenciales de CalCurve_PieceStart, cerrado por debajo y abierto por encima. Por ejemplo, el intervalo del segmento k en la figura anterior incluye CalCurve_PieceStart _k pero excluye CalCurve_PieceStart _k+1, donde PieceStart _k designa el ^k-ésimo valor leído para la propiedad CalCurve_PieceStart. Este segmento es uno de los potencialmente varios polinomios que pueden describir la función de transferencia de un transductor. Muchos IDT, por ejemplo, muestran comportamiento lineal para parte de su rango de medición, y polinomio para el resto.

Para hacer un uso eficaz de la plantilla de curvas de calibración, deben tomarse varios puntos de calibración y luego ajustarse a una curva polinómica. Esto puede tomar mucho más tiempo que recopilar algunos puntos de datos para una tabla de calibración. Sin embargo, el compromiso es una mayor precisión y una gama más amplia de valores calibrados.

Algunas mediciones pueden requerir información más allá del dominio temporal. La función de transferencia de respuesta de frecuencia de un transductor es particularmente útil para micrófonos y acelerómetros. La respuesta de frecuencia de cualquier transductor de vibración, de hecho, es muy importante cuando se comparan lecturas. Los sensores con una respuesta de frecuencia más amplia verán más vibración si está presente que un transductor de ancho de banda más estrecho.

La plantilla de tabla de respuesta de frecuencia especifica la función de transferencia de respuesta de frecuencia de un transductor con una tabla de búsqueda de pares frecuencia-amplitud. Al igual que las propiedades CalTable y CalCurve, TF_Table_Freq y TF_Table_Ampl definen puntos de datos en la función de transferencia de amplitud frente a frecuencia. Véanse el cuadro 4 y la figura 3 infra.


Puede utilizarse cualquier combinación de estas plantillas de calibración; sin embargo, cada una está adaptada a un tipo de medición diferente. Las tablas de calibración ofrecen un medio fácil de caracterizar a fondo una gama estrecha de lecturas de transductor. Las curvas de calibración especifican completamente el rango del transductor, aunque requieren más esfuerzo debido al cálculo de un polinomio a partir de mediciones discretas. Las tablas de respuesta de frecuencia pueden combinarse con cualquiera de las dos primeras plantillas para proporcionar más información sobre la respuesta dinámica de un transductor.

Un termopar proporciona un medio simple para demostrar el uso y la practicidad de las plantillas de calibración TEDS, específicamente la plantilla de tabla de calibración (ID 40). Como se mencionó anteriormente, esta plantilla consiste en varios conjuntos de valores (CalPoint_DomainValue y CalPoint_RangeValue) que especifican puntos en la curva de función de transferencia.

Los puntos de calibración típicos para un termopar incluyen el punto de congelación del agua (0 °C), el punto de ebullición del agua (100 °C) y 270 °C, entre otros. Para calibrar el transductor estas lecturas de temperatura deben mapearse a sus voltajes correspondientes. Para asegurar la consistencia y estandarización, los datos del termopar deben compararse con una fuente rastreable por NIST, en este ejemplo un SPRT (termómetro de resistencia al platino estándar). Luego, cualquier desviación de la temperatura esperada se puede registrar en la tabla de calibración.

Por ejemplo, si el SPRT lee 75 °C en un baño de temperatura y el termopar lee 72 °C, el termopar se apaga en 3 °C o .184% de su rango completo (-260 °C – 1372 °C). Del mismo modo, como 72°C es el 10,17% del dominio (-260°C – 1372°C), CalPoint_DomainValue es igual al 10,17% y CalPoint_RangeValue es igual al 0,184% para este punto de calibración. Este proceso puede repetirse para tantos puntos de calibración como se desee.

Una vez que se hayan recopilado los puntos de datos de calibración, se deben escribir en la EEPROM de TEDS en el termopar o almacenarse en un archivo TEDS virtual (VTEDS). En general, es buena idea escribir primero los datos en un archivo VTEDS y probar los resultados antes de escribirlos en la EEPROM. La biblioteca de complementos TEDS para LabVIEW 7.1 proporciona los VI necesarios para crear los datos TEDS. Específicamente, la paleta Crear nueva plantilla TEDS en Medidas NI » TEDS » TEDS avanzado contiene la plantilla de calibración VI. Véase la figura 4 infra.

Tenga en cuenta que este documento no contiene información específica sobre las TEDS VI. Consulte la sección Enlaces relacionados para obtener información más detallada y un ejemplo completo.

Con los datos de calibración recopilados y escritos en el archivo, se puede aplicar a cualquier medición utilizando el termopar a través del uso del DAQmx Configure TEDS.vi. El controlador DAQmx leerá automáticamente la información de calibración y la aplicará a todas las mediciones posteriores del transductor hasta que se complete la adquisición. Los VI relacionados con DAQmx TEDS se encuentran bajo NI Measurements » DAQmx – Data Adquisition » DAQmx Advanced » DAQmx TEDS.

El último paso es escribir los datos TEDS en la EEPROM del sensor, de modo que los datos de calibración puedan ser utilizados por otros sistemas de adquisición de datos. El DAQmx Write TEDS Data.vi (nuevo a partir de DAQmx 7.3) aceptará un flujo de bits binario TEDS o una ruta de archivo VTEDS como entrada. Consulte la Figura 5 a continuación.

Consulte la sección Enlaces relacionados a continuación para obtener un ejemplo más completo de calibración de termopares con TEDS.

Los beneficios de los plug-and-sensors son numerosos. La reducción del tiempo de configuración y la configuración automática pueden aumentar la productividad y reducir el costo general de un sistema de medición. Las plantillas de calibración ofrecidas con la interfaz TEDS proporcionan un medio para caracterizar transductores de forma individual. Esta calibración detallada puede aumentar la precisión más allá de las especificaciones publicadas para un tipo de sensor determinado. National Instruments proporciona una solución completa para un sistema de adquisición de TEDS, incluyendo hardware y software de adquisición de datos. Consulte los enlaces relacionados para obtener más información.