TEDS技術によるセンサキャリブレーション

データ集録の中核となるのは、RTD、加速度計、歪みゲージなどのアナログトランスデューサからの電圧測定です。データ集録システムは、トランスデューサに関する情報に基づいて電圧信号を解釈し、測定をわかりやすくします。DAQmxドライバは、未処理電圧から意味のあるデータへの遷移において、トランスデューサのタイプに応じてさまざまな変換を適用します。通常、これらはトランスデューサのタイプに特有の標準曲線と式です。しかし、センサキャリブレーションでは、トランスデューサを個別に考慮することで、このプロセスをさらに一歩進めています。つまり、センサ出力電圧は、特定のセンサキャリブレーションから取得したメトリックに基づいて物理測定にマッピングされます。

センサのEEPROMまたはVTEDSファイルに保存されたデータは、スペースを節約するために圧縮されます。情報を取得および解釈するために、DAQmxドライバはバイナリデータにテンプレートを適用します。電荷アンプからサーミスタまで、センサのタイプごとに個別のテンプレートがあります。これら16個の標準テンプレートの他に、校正表、キャリブレーション曲線 (多項式)、周波数応答表の3つのキャリブレーションテンプレートのいずれかがセンサに搭載される場合があります。以下の表1を参照してください。

キャリブレーションテーブルテンプレートは、トランスデューサの電気-物理伝達関数を含むルックアップテーブルを記述します。この表には、CalPoint_DomainValueパラメータとCalPoint_RangeValueパラメータの複数の値セットが必要です。以下の表2を参照してください。
CalTable_Domainは、キャリブレーションテーブルの領域パラメータを電気 (0) または物理 (1) として選択するために使用します。たとえば、電気領域パラメータは電圧ですが、物理領域パラメータは摂氏です。CalPoint_DomainValueは、トランスデューサの全レンジに対する割合 (%) で表されたキャリブレーション値の領域パラメータです。熱電対が-300～300℃の全レンジを持つ場合、0℃でキャリブレーションするとCalPoint_DomainValueは50%になります。CalPoint_RangeValueは、トランスデューサのフルレンジに対する割合 (%) で表された、予測値からのレンジ測定の偏差です。5℃ずれた読み取り値は、同じ熱電対のCalPoint_RangeValue .8333%に相当します。以下の図1は、これらのプロパティを使用してトランスデューサの伝達関数を指定する方法を示します。
キャリブレーション表テンプレートは、キャリブレーション目的でいくつかのデータポイントを記録する簡単な方法を提供します。これは、非常に狭い範囲の値でキャリブレーションを行う場合に特に便利です。

ただし、トランスデューサの全レンジにわたって正確に特性評価する必要がある場合もあります。これは、特に熱電対などの非線形伝達関数の高いトランスデューサの場合に困難です。したがって、TEDSはキャリブレーションの代替手段を提供します。キャリブレーション曲線テンプレートは、トランスデューサの電気-物理伝達関数を表す複数セグメントの多項式曲線を指定します。以下の表3を参照してください。
関数全体は、係数と累乗の配列によって定義される各セグメントごとに説明されています。たとえば、CURVEは[(3,1),(2,5),(1,-2),(0,1)]で表されます。ここで、括弧内の数値は(CalCurve_Power,CalCurve_Coef)と解釈されます。これは多項式関数f(x) = x3 + 5x2 – 2x + 1に変換されます。以下の図2を参照してください。
関数の各セグメントは、各ピースの開始値を指定するCalCurve_PieceStartパラメータによって区切られます。各セグメントは、CalCurve_PieceStartの連続した値で区切られ、下は閉じ、上は開かれます。たとえば、上図のセグメントk間隔にはCalCurve_PieceStart _kが含まれますが、CalCurve_PieceStart _k+1は含まれません。ここで、PieceStart _kはCalCurve_PieceStartプロパティで読み取られたk番目の値を指定します。このセグメントは、トランスデューサの伝達関数を表す可能性のある多項式の1つです。たとえば、多くのRTDは、測定範囲の一部で線形動作を示し、残りでは多項式を示します。

キャリブレーション曲線テンプレートを効果的に使用するには、複数のキャリブレーションポイントを取得し、多項式曲線にフィットさせる必要があります。これは、キャリブレーションテーブル用にいくつかのデータポイントを収集するよりも大幅に時間がかかる場合があります。ただし、トレードオフは確度の向上とキャリブレーション値の範囲の拡大です。

測定によっては、時間領域を超える情報が必要な場合があります。トランスデューサの周波数応答伝達関数は、マイクロホンや加速度計に特に便利です。振動トランスデューサの周波数応答は、読み取り値を比較する際に非常に重要です。周波数応答が広いセンサは、狭帯域幅トランスデューサよりも振動が大きくなります。

周波数応答表テンプレートは、周波数/振幅ペアのルックアップ表を持つトランスデューサの周波数応答伝達関数を指定します。CalTableおよびCalCurveプロパティと同様に、TF_Table_FreqおよびTF_Table_Amplは振幅/周波数伝達関数でデータポイントを定義します。以下の表4および図3を参照してください。


これらのキャリブレーションテンプレートは任意の組み合わせを使用できますが、それぞれが異なるタイプの測定に合わせて調整されます。キャリブレーションテーブルは、狭い範囲のトランスデューサ読み取り値を簡単に特徴付けることができます。キャリブレーション曲線はトランスデューサの範囲を完全に指定しますが、離散的な測定から多項式を計算するため、より多くの労力を必要とします。周波数応答表は、最初の2つのテンプレートのいずれかと組み合わせることで、トランスデューサのダイナミック応答に関する詳細情報を提供します。

熱電対は、TEDSキャリブレーションテンプレート、特にキャリブレーションテーブルテンプレート（ID 40）の使用方法と実用性を示す簡単な方法を提供します。前述したように、このテンプレートは、伝達関数CURVE上のポイントを指定する複数の値セット (CalPoint_DomainValue および CalPoint_RangeValue) で構成されています。

熱電対の一般的なキャリブレーションポイントには、水の凝固点（0℃）、水の沸点（100℃）、270℃などがあります。トランスデューサをキャリブレーションするには、これらの温度測定値を対応する電圧にマッピングする必要があります。一貫性と標準化を確保するために、熱電対からのデータはNISTトレーサブルソース（この例ではSPRT（標準白金測温抵抗体））と比較する必要があります。その後、予想温度からの偏差をキャリブレーション表に記録することができます。

たとえば、SPRTが温度浴で75℃を読み取り、熱電対が72℃を読み取る場合、熱電対は3℃または全レンジ (-260℃～1372℃) の0.184％オフになります。同様に、72℃は領域の10.17% (-260℃～1372℃) であるため、このキャリブレーションポイントではCalPoint_DomainValueは10.17%、CalPoint_RangeValueは0.184％です。このプロセスは、必要な数のキャリブレーションポイントで繰り返すことができます。

キャリブレーションデータポイントが集録されたら、熱電対のTEDS EEPROMに書き込むか、仮想TEDS (VTEDS) ファイルに保存する必要があります。通常、EEPROMに書き込む前に、まずVTEDSファイルにデータを書き込み、結果をテストすることをお勧めします。LabVIEW 7.1用TEDSアドオンライブラリは、TEDSデータを作成するために必要なVIを提供します。特に、NI測定→TEDS→上級TEDSの新規TEDSテンプレートを作成パレットには、キャリブレーションテンプレートVIが含まれています。以下の図4を参照してください。

このドキュメントには、TEDS VIに関する特定の情報は含まれていません。詳細および完成したサンプルについては、「関連リンク」セクションを参照してください。

キャリブレーションデータを収集してファイルに書き込むと、「DAQmx TEDSを構成」VIを使用して熱電対を使用する測定に適用できます。DAQmxドライバはキャリブレーション情報を自動的に読み取り、集録が完了するまでその後のすべてのトランスデューサ測定に適用します。DAQmx TEDS関連VIは、NI Measurements→DAQmx – Data Acquisition→DAQmx Advanced→DAQmx TEDSの下にあります。

最後のステップは、キャリブレーションデータが他のデータ収集システムで使用されるように、TEDSデータをセンサのEEPROMに書き込むことです。DAQmx Write TEDS Data.vi (DAQmx 7.3で新規追加) は、TEDSバイナリビットストリームまたはVTEDSファイルパスを入力として受け入れます。以下の図5を参照してください。

TEDSを使用した熱電対キャリブレーションの詳細な例については、以下の関連リンクセクションを参照してください。

プラグアンドセンサの利点は数多くあります。セットアップ時間の短縮と自動構成により、生産性が向上し、測定システム全体のコストを削減できます。TEDSインタフェースに付属するキャリブレーションテンプレートは、トランスデューサを個々に特性評価するための手段を提供します。この詳細なキャリブレーションにより、特定のセンサタイプの公開仕様を超える確度が得られる場合があります。ナショナルインスツルメンツは、データ収集ハードウェアおよびソフトウェアを含むTEDS集録システムの完全なソリューションを提供します。詳しくは以下の関連リンクをご覧ください。