Модуль АЦП NI 9237 для тензометричних і мостових датчиків

Модуль АЦП NI 9237 — це 4-канальний модуль аналогового введення C Series, призначений для підключення тензометричних і мостових датчиків у системах збору даних. Він поєднує аналого-цифрове перетворення, формування сигналу та функції, необхідні для живлення і вимірювання до чотирьох мостових сенсорів одночасно. Модуль може застосовуватися для реєстрації деформації, сили, навантаження та крутного моменту в лабораторних, випробувальних і автоматизованих вимірювальних системах.

NI 9237 має 4 аналогові канали з одночасною дискретизацією та забезпечує швидкість збору даних до 50 кВиб/с на канал. Завдяки одночасному аналого-цифровому перетворенню сигнали всіх підключених датчиків реєструються без міжканальної фазової затримки. Це особливо важливо під час дослідження динамічних навантажень, коли потрібно точно порівнювати реакцію кількох датчиків у той самий момент часу.

Модуль розрахований на роботу з повномостовими, напівмостовими та чвертьмостовими схемами. Для повного та половинного моста передбачене внутрішнє доповнення, а для чвертьмостового підключення використовується зовнішнє доповнення. Така конфігурація дозволяє використовувати NI 9237 у різних тензометричних системах і підбирати схему відповідно до конкретного типу датчика.

Основні можливості модуля NI 9237

• 4 аналогові вхідні канали для одночасного підключення мостових датчиків.

• Частота дискретизації до 50 кВиб/с на канал при використанні внутрішньої тактової бази.

• 24-бітний АЦП дельта-сигма типу з аналоговою попередньою фільтрацією.

• Одночасна дискретизація всіх каналів без міжканальної фазової затримки.

• Типовий діапазон аналогового входу ±25 мВ/В.

• Підтримка повномостових, напівмостових і чвертьмостових вимірювальних схем.

• Програмоване внутрішнє збудження мостових датчиків.

• Функції дистанційного контролю напруги збудження та шунтувального калібрування.

• Ізоляція відносно землі 60 В DC та ізоляція перехідних процесів до 1000 В RMS.

• Чотири роз'єми RJ50 для підключення сумісних датчиків навантаження та крутного моменту.

24-бітний АЦП для вимірювання малих сигналів

У NI 9237 використовується 24-бітний дельта-сигма аналого-цифровий перетворювач. Така архітектура підходить для роботи з малими диференціальними сигналами, характерними для тензометричних і мостових перетворювачів. Модуль має типовий вхідний діапазон ±25 мВ/В, що відповідає особливостям вихідного сигналу багатьох датчиків сили, навантаження, деформації та крутного моменту.

Дельта-сигма АЦП працює разом з аналоговою попередньою фільтрацією. Аналогова та цифрова фільтрація допомагають формувати коректне представлення сигналів у робочій смузі та зменшувати вплив частот за її межами. Для вимірювальної системи це важливо під час роботи зі слабкими сигналами, на які можуть впливати електричні перешкоди та інші небажані складові.

Висока роздільна здатність особливо корисна під час тензометричних вимірювань, де фізична зміна навантаження або деформації може спричиняти лише невелику зміну вихідної напруги моста. NI 9237 перетворює цей сигнал у цифрові дані, придатні для подальшого відображення, запису та математичної обробки.

Одночасна дискретизація чотирьох каналів

Однією з важливих характеристик NI 9237 є одночасне опитування всіх чотирьох каналів. На відміну від систем із послідовним перемиканням входів, модуль реєструє сигнали датчиків синхронно. Це усуває міжканальну фазову затримку та спрощує порівняння результатів вимірювання.

Синхронна реєстрація особливо важлива в системах випробування механічних конструкцій. Якщо навантаження одночасно впливає на кілька точок, сигнали від установлених у цих точках датчиків можна аналізувати на спільній часовій шкалі. Це дозволяє коректніше оцінювати взаємозв'язок між змінами деформації або навантаження в різних частинах конструкції.

При використанні внутрішньої тактової бази максимальна швидкість збору даних становить 50 кВиб/с на кожен канал. Така частота дозволяє застосовувати модуль не тільки для повільних або статичних вимірювань, але й для реєстрації швидкозмінних процесів у межах його технічних можливостей.

Робота з мостовими та тензометричними датчиками

NI 9237 створений спеціально для вимірювань, у яких використовуються мостові схеми. Модуль підтримує повний міст, напівміст і чвертьмостову конфігурацію. Це дозволяє використовувати його з різними типами тензометричних перетворювачів і готових датчиків.

Для повномостових і напівмостових датчиків модуль забезпечує внутрішнє доповнення моста. При роботі з чвертьмостовими тензодатчиками необхідне зовнішнє доповнення. Конкретна схема підключення залежить від конструкції сенсора, його номінальних параметрів та методики вимірювання.

Повномостові датчики широко застосовуються для вимірювання сили, навантаження та крутного моменту. Тензорезистори у складі половинного або чвертьмоста можуть використовуватися безпосередньо на деталях і конструкціях для контролю їхньої деформації під дією механічного навантаження.

Вбудоване збудження мостової схеми

Для роботи мостового датчика необхідна напруга збудження. NI 9237 може програмно формувати внутрішню напругу збудження 2,5 В, 3,3 В, 5 В або 10 В. Максимальна сумарна потужність внутрішнього збудження становить 150 мВт, тому під час вибору напруги потрібно враховувати опір і кількість підключених мостів.

Якщо вимірювальна конфігурація потребує більшої потужності, модуль підтримує підключення зовнішнього джерела збудження. Діапазон зовнішньої напруги збудження становить від 2 до 10 В. Це розширює можливості побудови вимірювальної системи та дозволяє використовувати датчики з різними вимогами до живлення мостової схеми.

Вбудоване формування збудження спрощує створення вимірювального каналу, оскільки для багатьох типових завдань немає потреби застосовувати окреме джерело живлення датчика. Водночас можливість зовнішнього збудження зберігає гнучкість для конфігурацій, у яких внутрішнього джерела недостатньо.

Remote Sense і компенсація опору проводів

Опір кабелів між модулем і мостовим датчиком може спричиняти падіння напруги та впливати на результат вимірювання. Для зменшення цієї похибки NI 9237 підтримує Remote Sense — дистанційний контроль фактичної напруги збудження безпосередньо на мостовій схемі.

Функція дистанційного вимірювання особливо корисна для напівмостових і повномостових датчиків. Якщо з'єднувальні проводи мають помітний опір, фактична напруга на мосту може бути нижчою, ніж напруга на виході модуля. Remote Sense дозволяє враховувати цю різницю та зменшувати пов'язану з нею похибку коефіцієнта передачі.

Шунтувальне калібрування

NI 9237 підтримує шунтувальне калібрування, яке застосовується для перевірки та коригування вимірювального тракту мостового датчика. У модулі передбачений прецизійний шунтувальний резистор номіналом 100 кОм і програмно керований комутаційний елемент.

Під час шунтувального калібрування створюється контрольована зміна опору одного плеча мостової схеми. Таким способом можна імітувати відому зміну сигналу та порівнювати фактичний результат вимірювання з очікуваним. Функція особливо корисна під час роботи з чвертьмостовими тензометричними схемами, де опір з'єднувальних проводів може мати відчутний вплив.

Ізоляція та стійкість до синфазних перешкод

Модуль має ізоляцію каналів відносно землі до 60 В постійного струму та витримує короткочасну випробувальну напругу до 1000 В RMS відповідно до встановлених виробником умов. Таке виконання допомагає підвищити стійкість системи до синфазних перешкод.

Це важлива характеристика для тензометричних систем, оскільки рівень корисного сигналу мостового датчика може бути дуже малим. Сильна синфазна складова або електромагнітні перешкоди в кабелях здатні негативно впливати на результат, тому конструкція вимірювального тракту NI 9237 орієнтована на роботу з такими низькорівневими сигналами.

Між окремими аналоговими каналами гальванічної ізоляції немає. Цю особливість необхідно враховувати під час проєктування системи, особливо якщо датчики встановлені на об'єктах із різними електричними потенціалами.

Підключення через чотири роз'єми RJ50

Модуль NI 9237 у виконанні з RJ50 має чотири окремі роз'єми для вимірювальних каналів. Вони забезпечують зручне підключення багатьох мостових датчиків навантаження та крутного моменту, а також дозволяють створювати кабелі для індивідуальних схем підключення.

Окремий роз'єм для кожного каналу спрощує монтаж багатоканальної системи: датчики можна підключати та обслуговувати незалежно один від одного. При цьому потрібно дотримуватися призначення контактів відповідно до схеми конкретного датчика та вимог NI 9237.

Застосування NI 9237

Модуль АЦП NI 9237 підходить для систем, у яких необхідно отримувати цифрові дані від тензометричних або інших мостових перетворювачів. Поєднання чотирьох каналів, високої частоти дискретизації та вбудованого узгодження сигналів дозволяє використовувати його в різноманітних вимірювальних і випробувальних комплексах.

• Тензометричні вимірювання — контроль деформації деталей, вузлів і конструкцій під механічним навантаженням.

• Вимірювання сили — робота з мостовими датчиками сили в лабораторних і випробувальних установках.

• Контроль навантаження — одночасне підключення кількох датчиків для оцінювання розподілу навантаження.

• Вимірювання крутного моменту — збір даних із сумісних мостових перетворювачів.

• Випробування конструкцій — синхронний контроль декількох точок під час статичних і динамічних випробувань.

• Автоматизовані системи збору даних — інтеграція тензометричних вимірювань у модульні вимірювальні комплекси.

Технічні характеристики NI 9237

• Кількість аналогових входів — 4 канали.

• Роздільна здатність АЦП — 24 біти.

• Тип АЦП — дельта-сигма з аналоговою попередньою фільтрацією.

• Режим дискретизації — одночасний.

• Максимальна швидкість при внутрішній тактовій базі — 50 кВиб/с на канал.

• Типовий діапазон входу — ±25 мВ/В.

• Внутрішнє доповнення — повний і половинний міст.

• Чвертьмостова схема — зовнішнє доповнення.

• Внутрішня напруга збудження — 2,5; 3,3; 5 або 10 В.

• Максимальна потужність внутрішнього збудження — 150 мВт.

• Зовнішня напруга збудження — 2–10 В.

• Шунтувальний резистор — 100 кОм.

• Ізоляція від каналу до землі — 60 В DC.

• Захист між будь-якими двома контактами — до ±30 В.

• Робочий температурний діапазон — від −40 до +70 °C.

Чому NI 9237 зручний для багатоканальних вимірювань

Під час створення тензометричної системи важливі не тільки параметри АЦП, а й спосіб підключення датчиків, збудження мостів, синхронізація каналів і компенсація похибок з'єднувальних проводів. У NI 9237 ці функції об'єднані в одному модулі, тому він спеціалізований саме на мостових вимірюваннях.

Чотири синхронні канали дозволяють одночасно контролювати кілька точок об'єкта. Вбудоване збудження спрощує живлення мостів, Remote Sense допомагає компенсувати падіння напруги в проводах, а шунтувальне калібрування дає можливість перевірити вимірювальний тракт. Разом ці функції роблять NI 9237 практичним рішенням для побудови систем збору даних із тензометричних датчиків.

NI 9237 призначений для завдань, де потрібні синхронне багатоканальне вимірювання, робота з низькорівневими мостовими сигналами та частота дискретизації до 50 кВиб/с на канал. Модуль може використовуватися для реєстрації деформації, сили, навантаження й крутного моменту та забезпечує необхідний набір функцій для інтеграції мостових датчиків у професійну систему збору даних.