在复杂产品的设计验证中,往往需要多路扫描测量混杂着不同物理参数的测试点。例如需要同时监视流量、压力、温度和应力。测量速度有时会随应用而异。对扫描速度的要求也可能有很大的不同。例如,对于大热容量的物体,温度变化通常是慢过程,每秒一次的测量速率捕获温度变化也许已经足够。但当温度在短时间内有急剧变化时,就要以更快的扫描率精确跟踪温度变化。使用如Agilent34980A多功能开关测量单元及相伴DataLoggerPro软件这类系统,可以达到更高速度的要求。即使正在使用不同的数据记录仪,也可通过相应的测量技巧,保证尽可能快的扫描。
合理安排被测输入信号的次序
当测量中有多种类型的传感器时,最好把相同类型的传感器编组放到一起。这样做有两个理由:其一是把低电平信号,如热偶产生的信号与其它信号分开,从而把干扰和相互影响减到最小。其二是减少数字万用表频繁改变量程和功能所需要的时间。改变数字万用表的量程和功能往往需花几十毫秒或更长的时间,这将显著延长扫描时间。理想情况下,所有输入最好都是同一类型和同一量程(例如直流电压,10V量程),但这是不现实的,有些输入需要衰减,另一些输入需要放大。因此最好的解决方案是按测量类型和输出范围组织输入信号,如表1所示。
测量技巧
把所有类似的测量编组到一起。先把所有热偶测量放到相邻通道中,然后是各直流电压通道,各交流电压通道,依次类推。从而将改变功能所费的时间减到最小。
如有可能,通过匹配输入电平把改变量程所费的时间减到最小。这样做可能需要衰减或放大某些通道的输入信号。
为完全消除量程和功能改变,把所有输入都变换成一种类型,如直流电压,然后在同一量程,如10V量程上读出。
用250Ω端接所有4-20mA电流环,把电流转换成电压。
选择适当的多路开关
多路开关包括多个开关,在任何给定时间,只有某一通道被接到公共输出。扫描速度受多路开关中所用开关类型的影响。电磁继电器坚固,可承受相对大的电压和电流,但如表2所示,速度是很慢的。干簧继电器更快,通常用于数据采集扫描器中。为实现最高的开关速度,就需要使用FET开关。但FET不能承受大电压,并且有相对高的“导通”电阻。由于数字万用表有极高的输入阻抗,因此FET的导通电阻一般不会成为问题。
测量技巧
按测试速度要求选择正确的多路开关。干簧继电器比电枢继电器快,FET开关则更快。
如有可能,避免跨多路开关阵列。这需要额外的开关时间。
把容性负载效应减到最小,它会减慢测量速度和要求更长的稳定时间。
优化积分式数字万用表的测量
大多数数据记录仪,如Agilent34970A数据采集单元和Agilent34980A多功能开关测量单元都用高精度积分式A/D电压表测量,各种通过多路开关接入的输入信号。积分式数字万用表很好兼顾了速度和精度。如果不需要61/2位的分辨率,则可选择较短的积分时间,虽然这会降低噪声抑制能力。大多数积分式A/D有自动零功能,它在两次测量间测量内部短路,从而补偿A/D中的失调漂移。但这也使测量时间增加一倍。数据采集系统还要花时间执行命令,控制自动量程,更新显示,测量热偶参考结,以及把热偶电压读数转换为温度。所有这些工作都需要时间。因此要仔细考虑这些功能,去掉那些不影响系统精度的活动,这样做能够显著缩短测量时间。
如果数据记录仪周围环境相对稳定,关掉自动零功能。
直接编程数字万用表量程,不要让它处于自动量程模式。
设置正确的积分时间。至少在一个工频周期(PLC)上的积分,以减小工频相关噪声的影响,但这也把测量速度限制到每秒50个读数。
关断前面板显示和键盘。
用另外的恒流源辅助电阻测量,这样就可进行电压测量。
不要过于频繁地测量热偶参考结。
在计算机中,而不要在数据采集系统内进行热偶电压测量值至温度的变换。
快速而精确地得到小引擎温度分布图
对于从冷启动到最终工作温度的瓦斯引擎,温度能在几秒钟内变化好几百度。为了得到精确的温度分布图,在寻求引擎排放批准而进行鉴定测试时,美国环保署(EPA)考虑强制要求每100-200ms进行一次温度测量。由于有多至40-50个传感器,需要达到的扫描速度为每秒500个通道或更高。为此需选择正确类型的多路开关,把同类信号编组,在模数转换器测量系统中把量程和功能的改变减到最少,进行数据转换后处理,而不要把数据转换放在数据采集系统中执行,这样,就能从容满足这些EPA要求。
总结
大多数数据采集应用都使用一种以上的传感器。如果没有十分重视采取各种必要措施,混合类型的传感器的扫描速度也许不能达到要求。以上已讨论了合理安排输入信号的次序,为应用选择最好的多路开关形式,以及优化数字万用表测量的方法。采取其中某些或全部措施,就能实现多传感器系统的最高扫描速度。 |