Étalonnage de capteur avec la technologie TEDS

Au cœur de l’acquisition de données se trouve une mesure de tension à partir d’un transducteur analogique, qu’il s’agisse d’un RTD, d’un accéléromètre, d’une jauge de contrainte, etc. C’est la façon dont le système d’acquisition de données interprète le signal de tension en fonction des informations sur le transducteur qui rend la mesure intelligible. Lors de la transition de la tension brute aux données significatives, le driver DAQmx applique une variété de conversions en fonction du type de transducteur. En général, ce sont des courbes et des équations standard spécifiques au type de transducteur. Cependant, l’étalonnage des capteurs pousse ce processus plus loin en considérant les transducteurs sur une base individuelle. Autrement dit, la tension de sortie du capteur est associée à une mesure physique basée sur des statistiques obtenues à partir d’un étalonnage spécifique du capteur.

Les données stockées dans l’EEPROM du capteur ou dans un fichier VTEDS sont compressées pour gagner de la place. Pour récupérer et interpréter les informations, le driver DAQmx applique un modèle aux données binaires. Il existe des modèles distincts pour chaque type de capteur, des amplificateurs de charge aux thermistances. En plus de ces seize modèles standard, il existe trois modèles d’étalonnage : une table d’étalonnage, une courbe d’étalonnage (polynôme) et une table de réponse en fréquence. Voir le tableau 1 ci-dessous.

Le modèle de table d'étalonnage décrit une table de correspondance avec la fonction de transfert électrique à physique d'un transducteur. La table requiert plusieurs ensembles de valeurs pour les paramètres CalPoint_DomainValue et CalPoint_RangeValue. Voir le tableau 2 ci-dessous.
CalTable_Domain est utilisé pour sélectionner le paramètre de domaine de la table d'étalonnage comme électrique (0) ou physique (1). Par exemple, un paramètre du domaine électrique serait la tension, alors qu'un paramètre du domaine physique serait Celsius. CalPoint_DomainValue est le paramètre de domaine de la valeur étalonnée, exprimé en pourcentage de la gamme complète du transducteur. Si un thermocouple a une gamme complète de -300 à 300 °C, CalPoint_DomainValue serait 50 % si le thermocouple était étalonné à 0 °C. CalPoint_RangeValue est l'écart entre la mesure de gamme et la valeur attendue, exprimé en pourcentage de la gamme complète du transducteur. Une lecture décalée de 5 °C correspondrait à un CalPoint_RangeValue de 0,833 % pour le même thermocouple. La figure 1 ci-dessous illustre l'utilisation de ces propriétés pour spécifier la fonction de transfert du transducteur.
Le modèle de table d'étalonnage fournit un moyen simple d'enregistrer quelques points de données à des fins d'étalonnage. Ceci est particulièrement utile lors de l'étalonnage autour d'une gamme de valeurs très étroite.

Parfois, cependant, il est nécessaire de caractériser précisément un transducteur sur toute sa gamme. Cela peut s’avérer difficile, en particulier dans le cas d’un transducteur à fonction de transfert hautement non linéaire, tel qu’un thermocouple. Par conséquent, le TEDS fournit un autre moyen d’étalonnage. Le modèle CURVE d'étalonnage spécifie une CURVE polynomiale à plusieurs segments décrivant la fonction de transfert électrique à physique d'un transducteur. Voir le tableau 3 ci-dessous.
La fonction globale est décrite par morceaux, chaque segment étant défini par un tableau de coefficients et de puissances. Par exemple, une CURVE peut être décrite par [(3,1),(2,5),(1,-2),(0,1)], où les nombres entre parenthèses sont interprétés comme (CalCurve_Power,CalCurve_Coef). Cela se traduirait par la fonction polynomiale f(x) = x3 + 5x2 – 2x + 1. Voir la figure 2 ci-dessous.
Chaque segment de la fonction est délimité par le paramètre CalCurve_PieceStart, qui spécifie la valeur de départ de chaque morceau. Chaque segment est limité par les valeurs séquentielles de CalCurve_PieceStart, fermé en dessous et ouvert au-dessus. Par exemple, l'intervalle de segment k de la figure précédente inclut CalCurve_PieceStart _k mais exclut CalCurve_PieceStart _k+1, PieceStart _k désignant la k ^ième valeur lue pour la propriété CalCurve_PieceStart. Ce segment est l'un des polynômes susceptibles de décrire la fonction de transfert d'un transducteur. De nombreux RTD, par exemple, présentent un comportement linéaire pour une partie de leur gamme de mesure, et polynomial pour le reste.

Pour utiliser efficacement le modèle de CURVE d'étalonnage, plusieurs points d'étalonnage doivent être pris puis ajustés à une CURVE polynomiale. Cela peut prendre beaucoup plus de temps que de collecter quelques points de données pour une table d'étalonnage. Cependant, le compromis est une plus grande précision et une gamme plus large de valeurs étalonnées.

Certaines mesures peuvent nécessiter des informations au-delà du domaine temporel. La fonction de transfert de réponse en fréquence d’un transducteur est particulièrement utile pour les microphones et les accéléromètres. En fait, la réponse en fréquence de tout transducteur de vibration est très importante lors de la comparaison des mesures. Les capteurs avec une réponse en fréquence plus large verront plus de vibrations s’ils sont présents qu’un transducteur à bande passante plus étroite.

Le modèle de table de réponse en fréquence spécifie la fonction de transfert de réponse en fréquence d'un transducteur avec une table de correspondance de paires fréquence-amplitude. Tout comme les propriétés CalTable et CalCurve, TF_Table_Freq et TF_Table_Ampl définissent des points de données dans la fonction de transfert amplitude/fréquence. Voir le tableau 4 et la figure 3 ci-dessous.


Toute combinaison de ces modèles d'étalonnage peut être utilisée, mais chacun est adapté à un type de mesure différent. Les tables d'étalonnage permettent de caractériser facilement une gamme étroite de lectures de transducteurs. Les courbes d'étalonnage spécifient complètement la gamme du transducteur, bien qu'elles nécessitent plus d'efforts en raison du calcul d'un polynôme à partir de mesures discrètes. Les tableaux de réponse en fréquence peuvent être combinés avec l'un des deux premiers modèles pour fournir plus d'informations sur la réponse dynamique d'un transducteur.

Un thermocouple fournit un moyen simple de démontrer l’utilisation et l’aspect pratique des modèles d’étalonnage TEDS, en particulier le modèle de table d’étalonnage (ID 40). Comme mentionné ci-dessus, ce modèle se compose de plusieurs ensembles de valeurs (CalPoint_DomainValue et CalPoint_RangeValue) spécifiant des points sur la CURVE fonction de transfert.

Les points d'étalonnage typiques d'un thermocouple comprennent le point de congélation de l'eau (0 °C), le point d'ébullition de l'eau (100 °C) et 270 °C, entre autres. Pour étalonner le transducteur, ces mesures de température doivent être mappées à leurs tensions correspondantes. Pour assurer la cohérence et la standardisation, les données du thermocouple doivent être comparées à une source traçable NIST, dans cet exemple un SPRT (thermomètre à résistance de platine standard). Ensuite, tout écart par rapport à la température attendue peut être enregistré dans la table d’étalonnage.

Par exemple, si le SPRT indique 75 °C dans un bain de température et que le thermocouple indique 72 °C, le thermocouple est éteint de 3 °C ou 0,184 % de sa gamme complète (-260 °C – 1372 °C). De même, comme 72 °C représente 10,17 % du domaine (-260 °C – 1372 °C), CalPoint_DomainValue est égal à 10,17 % et CalPoint_RangeValue est égal à ,184 % pour ce point d'étalonnage. Ce processus peut être répété pour autant de points d'étalonnage que souhaité.

Une fois les points de données d'étalonnage collectés, ils doivent être écrits dans l'EEPROM TEDS sur le thermocouple ou stockés dans un fichier TEDS virtuel (VTEDS). En général, c'est une bonne idée d'écrire d'abord les données dans un fichier VTEDS et de tester les résultats avant de les écrire dans l'EEPROM. La bibliothèque de compléments logiciels TEDS pour LabVIEW 7.1 fournit les VIs nécessaires pour créer les données TEDS. Plus précisément, la palette Créer un nouveau modèle TEDS sous Mesures NI» TEDS » TEDS avancé contient les VIs modèles d’étalonnage. Voir la figure 4 ci-dessous.

Notez que ce document ne contient pas d’informations spécifiques sur les VIs TEDS. Reportez-vous à la section Liens rattachés pour obtenir des informations plus détaillées et un exemple complet.

Une fois les données d'étalonnage recueillies et écrites dans un fichier, elles peuvent être appliquées à toute mesure utilisant le thermocouple à l'aide du VI DAQmx - Configurer un TEDS. Le driver DAQmx lira automatiquement les informations d'étalonnage et les appliquera à toutes les mesures ultérieures du transducteur jusqu'à ce que l'acquisition soit terminée. Les VIs liés à DAQmx TEDS se trouvent sous NI Measurements» DAQmx – Data Acquisition»DAQmx Advanced»DAQmx TEDS.

La dernière étape consiste à écrire les données TEDS dans l'EEPROM du capteur, afin que les données d'étalonnage puissent être utilisées par d'autres systèmes d'acquisition de données. Le VI DAQmx - Écrire des données TEDS (nouveau à partir de DAQmx 7.3) acceptera un flux binaire TEDS ou un chemin de fichier VTEDS en entrée. Reportez-vous à la figure 5 ci-dessous.

Reportez-vous à la section Liens rattachés ci-dessous pour consulter un exemple plus complet d'étalonnage de thermocouple avec TEDS.

Les avantages des plug-and-sensors sont nombreux. La réduction du temps de configuration et l’auto-configuration peuvent augmenter la productivité et réduire le coût global d’un système de mesure. Les modèles d'étalonnage proposés avec l'interface TEDS permettent de caractériser les transducteurs individuellement. Cet étalonnage détaillé peut améliorer la précision au-delà des spécifications publiées pour un type de capteur donné. National Instruments fournit une solution complète pour un système d'acquisition TEDS, y compris le matériel et les logiciels d'acquisition de données. Pour obtenir des informations complémentaires, reportez-vous aux liens rattachés ci-dessous.