کاربرد اسکیل بندی سنسور ها

من همیشه تعجب می کنم که چگونه یک سیستم اتوماسیون مانند PLC یا DCS اسکیل بندی سنسور ها را انجام می دهد؟ یا حتی گاهی اوقات به تکنیک های مقیاس بندی فرستنده میدانی ساده برای تبدیل هر نوع خروجی سنسور به استاندارد ۴-۲۰ میلی آمپر فکر می کنیم.

به عنوان مثال، یک فرستنده دما را در نظر بگیرید که همه ما می دانیم با استفاده از یک فرمول ساده می توانیم دمای معادل را از مقاومت خروجی سنسور RTD محاسبه کنیم.
در مورد ترموکوپل، یک الگوریتم پیچیده برای تبدیل میلی ولت خروجی آن به دمای معادل مورد نیاز است.
بنابراین اکنون این سوال مطرح می شود که چگونه یک PLC یا DCS یا فرستنده اسکیل بندی سنسور را انجام می دهد؟

چگونه یک PLC اسکیل بندی سنسور را انجام می دهد؟

اسکیل بندی سنسور فرآیند گرفتن سیگنالی مانند متغیر فرآیند، ولتاژ یا جریان خروجی از یک سنسور و اعمال محاسبات برای ارائه این سیگنال به شکل قابل استفاده تر است.
این سیگنال در نهایت برای اپراتور در اتاق کنترل ارسال می شود.
سپس از نظر واحدهای مهندسی مانند PSI، °F یا %RH باید استاندارد باشد.

سه تکنیک متداول در دنیای اکتساب داده وجود دارد که شامل اسکیل بندی خطی، اسکیل بندی نقشه برداری و اسکیل بندی فرمولی است.
هر سه روش مکان و زمان خود را برای استفاده دارند که در این مقاله توضیح داده خواهد شد.

معرفی تکنیک های مقیاس بندی

سه تکنیک برای اسکیل بندی وجود دارد که در اینجا در این مقاله قصد داریم به آنها بپردازیم: خطی، نقشه برداری و فرمولی.

این سه تکنیک کمی با هم همپوشانی دارند که روش های اولیه مورد استفاده در دنیای جمع آوری داده ها هستند. فقط برای ارائه یک نمای کلی از این سه روش و بهترین موارد استفاده از آنها، جدولی را در زیر جمع آوری کرده ایم.

در موارد خاصی که اسکیل بندی سنسور مبتنی بر فرمول در دسترس نیست، گاهی اوقات می توان از نقشه برداری (mapping) برای از پیش تعریف کردن جدول بر اساس فرمول مورد نیاز یا بالعکس استفاده کرد.
همچنین هنگام کار با سنسوری که دارای خروجی آنالوگ است، واحدهای تعیین شده برای آن سنسور در سنگ تنظیم نمی شوند.

برای مثال اگر سنسور شما دارای خروجی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر برای محدوده ۴۰- تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد باشد، به همین راحتی می توان خروجی را با گفتن اینکه واحد دارای برد ۴۰- تا ۲۱۲ درجه فارنهایت است، اسکیل بندی کرد.

۱٫ اسکیل بندی خطی

تکنیک اسکیل بندی خطی باید محاسبات اولیه جبر را به شما یادآوری کند.
این تکنیک اسکیل بندی سنسور از شکل قدیمی شیب – برق (y = mx + b) استفاده می کند.

• y خروجی شما است (که به عنوان ارزش واحدهای مهندسی نیز شناخته می شود)
• x ورودی شما است (خواه ولتاژ، میلی آمپر و غیره)
• m شیب شما است (همچنین به عنوان ضریب مقیاس شناخته می شود)
• b وقفه y شما است (همچنین به عنوان افست شناخته می شود).

همانطور که قبلاً گفته شد، اسکیل بندی خطی با خروجی‌های ولتاژ یا جریان خطی که در آن خروجی‌های حداقل و حداکثر مقادیر خاصی را همراه با محدوده سنسورها نشان می‌دهند، بهترین عملکرد را دارند.
حال بیایید چند مثال برای بیشتر کردن فهم این مطلب بررسی کنیم:

مثال ۱

بیایید ترانسمیتر سطح با بردWC  ۰ تا ۱۰۰ فوت و خروجیDC  ۰ تا ۱۰ ولت را در نظر بگیریم. این مشخصات دو چیز را به ما می گوید:

• خروجی ۰ ولت نشان دهنده اندازه گیری ۰ ftWC است.
• خروجی ۱۰ ولت نشان دهنده اندازه گیری ۱۰۰ ftWC است.

بهتر است با ضریب مقیاس خود یا m در معادله شروع کنید. ضریب m را می توان با استفاده از فرمول شیب حل کرد:

m = (y₂-y₁) / (x₂-x₁)

با انتخاب دو نقطه در امتداد مقیاس خطی می توان به عدد دقیق رسید.
پس از تعیین ضریب مقیاس، به سادگی مقدار m را به فرمول شیب وصل می کنیم و از یکی از نقاط خود برای محاسبه افست خود استفاده می کنیم.

برای محاسبه ضریب مقیاس یا m از دو نقطه (۰، ۰) و (۱۰، ۱۰۰) استفاده می کنیم:

m = (y2-y1) / (x2-x1) = (100 – 0) / (10 – 0) = 100 / 10

بنابراین m = 10

حال از فرمول شیب-فاصله و نقطه (۰، ۰) برای محاسبه افست یا b استفاده می کنیم.

y = mx + b، که در آن y = 0، x = 0، m = 10، و b ناشناخته است.

۰ = ۱۰(۰) + b = 0 + b

بنابراین b = 0

همیشه ایده خوبی است که با وارد کردن نقطه دوم خود به معادله تکمیل شده که در این مورد (۱۰، ۱۰۰) است، تأیید کنید که ضریب مقیاس و افست شما درست است.

y = mx + b، که در آن y = 100، x = 10، m = 10، و b = 0.

۱۰۰ = ۱۰ (۱۰) + ۰ = ۱۰۰

با توجه به اینکه این عملیات حسابی معتبر است، تأیید کردیم که ضریب اسکیل بندی سنسور و افست ما درست است.

مثال ۲

با توجه به اینکه مثال ۰ تا ۱۰ ولت نسبتاً ساده است، بیایید به چیزی چالش برانگیزتر مانند خروجی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر برویم.

ما در این مثال اسکیل بندی سنسور همچنان از فرستنده سطح با محدوده ۰ تا ۱۰۰ ftWC استفاده خواهیم کرد.

اما این بار از خروجی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر استفاده خواهیم کرد. این مشخصات دوباره دو چیز را به ما می گوید:

• خروجی ۴ میلی آمپر نشان دهنده اندازه گیری ۰ ftWC و
• خروجی ۲۰ میلی آمپر نشان دهنده اندازه گیری ۱۰۰ ftWC است.

برای محاسبه ضریب مقیاس یا m از دو نقطه (۴، ۰) و (۲۰، ۱۰۰) استفاده می کنیم.

m = (y2-y1) / (x2-x1) = (100 – 0) / (20 – 4) = 100 / 16

بنابراین m = 6.25

حال از فرمول شیب-برق (slope-intercept) و نقطه (۴، ۰) برای محاسبه افست یا b استفاده می کنیم.

y = mx + b، که در آن y = 0، x = 4، m = 6.25، و b ناشناخته است.

۰ = ۶٫۲۵ (۴) + b = 25 + b

بنابراین b = -25

همیشه ایده خوبی است که با وارد کردن نقطه دوم به معادله تکمیل شده خود، که در این مورد (۲۰، ۱۰۰) است، تأیید کنید که ضریب مقیاس و افست شما درست است.

y = mx + b، که در آن y = 100، x = 20، m = 6.25، و b = -25.

۱۰۰ = ۶٫۲۵ (۲۰) + (-۲۵) = ۱۰۰

با توجه به اینکه این عملیات حسابی معتبر است، تأیید کردیم که ضریب مقیاس و افست ما درست است.

۲٫ اسکیل بندی نقشه برداری

تکنیک اسکیل بندی سنسور نقشه‌برداری شده اغلب برای ورودی‌هایی مانند ترموکوپل، Pt 100 / 1000 و سایر حسگرهای دمایی مقاومتی داخلی و از پیش برنامه‌ریزی شده است.
برای مثال، وقتی سیستم جمع‌آوری داده‌های خود را برای اندازه‌گیری ترموکوپل نوع K پیکربندی می‌کنید، سیستم از قبل می‌داند که خروجی میلی‌ولت ترموکوپل با چه دمایی مطابقت دارد.

این مثال فقط برای ترموکوپل‌های نوع K اعمال نمی‌شود، بلکه برای هر نوع سنسور دمای مقاومتی معمولی یا سایر سنسورهای مرتبط کاربرد دارد.
با این حال، مواردی وجود دارد که در آنها باید جدول مپینگ خود را ایجاد کنیم.

یکی از این موارد زمانی است که ما با یک سیستم جمع‌آوری داده کار می‌کنیم که برای کار کردن با سنسورهای دمای مقاومتی، از پیش پیکربندی نشده است.
این یک موقعیت معمولی نیست که ما با آن برخورد کنیم، اما قابل ذکر است.

نمونه دیگر زمانی است که یک تابع غیر خطی داریم و اسکیل بندی سنسور مبتنی بر فرمول در دسترس نیست یا یک تابع تکه ای است. یک مثال خوب برای این، زمانی است که ما از یک سنسور سطح برای محاسبه حجم مخزن در یک مخزن غیر خطی استفاده می کنیم.

معمولاً وقتی می خواهیم بدانیم حجم سیال در یک مخزن چقدر است، عمق یا سطح مخزن را اندازه گیری می کنیم.
با دانستن این موضوع می توان حجم سیال را محاسبه کرد.
اگر مخزن کف صاف داشت و قطر آن با ارتفاع یکسان بود، این محاسبه ساده بود و می‌توانیم از مقیاس خطی مانند بالا استفاده کنیم.

با این حال، معمولا این مخازن گرد هستند و سطح سیال ارتباط مستقیمی با حجم سیال ندارد.
در این شرایط باید از مقیاس بندی نقشه برداری و کمی ریاضی استفاده کنیم تا به نتیجه دلخواه خود برسیم.

مثال برای اسکیل بندی نقشه برداری

برای مثال ما از یک مخزن سیلندر افقی با قطر ۵ فوت و طول ۱۰ فوت استفاده خواهیم کرد. تعدادی فرمول مثلثاتی پیچیده برای تعیین حجم پر شده یک مخزن مانند این استفاده می شود که ما از آنها صرف نظر می کنیم؛ زیرا از حد این مقاله بسیار فراتر و پیچیده تر هستند. در عوض، ما محاسبات را انجام می دهیم و جدول ارزش را به شما نشان می دهیم.

همچنین، برای این مثال، ما دوباره از ترانسمیتر سطح استفاده خواهیم کرد. اما این بار خروجی ۰ تا ۱۰ ولت DC و محدوده ۰ تا ۵ فوت WC.

اگر این جدول نقشه‌برداری است که در سیستم جمع‌آوری داده شما برنامه‌ریزی شده است، حجم آن به جای اندازه‌گیری عمق محاسبه می‌شود.

به طور معمول، هر چه امتیازهای جدول شما بیشتر باشد، محاسبات دقیق‌تر خواهند بود. برای نشان دادن این مفهوم، اجازه دهید از سیگنال خروجی ۱ ولت به عنوان مثال استفاده کنیم.

خروجی ۱ ولت به ما می گوید که عمق ۰٫۵ فوت در مخزن وجود دارد.
این مقدار تقریباً ۷۶ گالن است. ۱ ولت روی میز ما بین ۰ ولت و ۲ ولت قرار می گیرد؛
بنابراین سیستم جمع آوری داده ها، یک مقیاس خطی بین این دو نقطه تنظیم می کند.
و می گوید که خروجی ۱ ولت ۱۰۴٫۵ گالن است، که نزدیک به ۳۰ گالن کاهش می یابد!

۳٫ اسکیل بندی فرمولی

این تکنیک اسکیل بندی سنسور پتانسیل این را دارد که یکی از قوی‌ترین روش‌های اسکیل بندی باشد.
با این حال، اغلب یک منبع معتبر است.
بیشتر سیستم‌های جمع‌آوری داده‌ها که داده‌ها را با نرخ‌های بالا ذخیره می‌کنند، نمی‌توانند با این فرآیند ادامه دهند.

برای سیستم های جمع آوری داده که نمی توانند مقیاس بندی فرمول را انجام دهند، دو گزینه وجود دارد:

• ذخیره مقادیر خام و اعمال فرمول های مورد نیاز روی داده ها پس از ذخیره داده ها از سیستم اکتساب داده ها. این کار را معمولاً می توان در نرم افزاری مانند Microsoft Excel انجام داد.
• با استفاده از یک ماشین حساب، سیگنال قابل برنامه ریزی این نوع دستگاه را می توان برای پردازش چندین ورودی از طریق فرمول تعریف شده توسط کاربر و ارائه یک خروجی خطی پیکربندی کرد.

کاربردهای بالقوه زیادی برای اسکیل بندی فرمولی وجود دارد.
ما دو سناریو ممکن را برای این تکنیک اسکیل بندی سنسور پوشش خواهیم داد:
حجم مخزن سیلندر عمودی و فشار دیفرانسیل.

مثال ۱

برای یک مخزن سیلندر عمودی، حجم پر را می توان با فرمول “V = πr² f” محاسبه کرد که در آن:

• V حجم پر شده است،
• r شعاع مخزن است و
• f ارتفاع پر شدن است.

فرض کنید مخزن ما دارای قطر ۵ فوت و ارتفاع ۱۰ فوت است.
مجدداً از Transmitter سطح برای مثال خود با برد WC  ۰ تا ۱۰ فوت و خروجی DC  ۰ تا ۵ ولت استفاده می کنیم.

فرستنده سطح به ما ارتفاع پر شدن یا f را می دهد.
از این ارتفاع پر، می‌توانیم مستقیماً حجم پر یا V را محاسبه کنیم.
از برخی از روش‌های مشابه برای اسکیل بندی خطی برای بدست آوردن f استفاده می‌کنیم و محاسبات را در بالای آن اعمال می‌کنیم.

برای اسکیل بندی سنسور در این مثال، ابتدا اسکیل خطی را برای ارتفاع پر یا f محاسبه می کنیم.
از آنجایی که در بخش اول به این موضوع پرداختیم، از توضیح این چند مرحله می گذریم.

y = f = 2x

که در این معادله، x ولتاژ خروجی سنسور است.

اکنون می توانیم f را در فرمول مخزن سیلندر عمودی با ۲x جایگزین کنیم.

V = π r2 f = π (۲٫۵) ۲ (۲x) = π ۱۲٫۵x

مثال ۲

سناریوی دومی که قصد داریم برای توضیح تکنیک اسکیل بندی فرمولی استفاده کنیم، فشار دیفرانسیل است.
بدیهی است که تعدادی سنسور فشار دیفرانسیل وجود دارد که خروجی خطی ارائه می دهند.
اما تجربه می گوید که این روش برای محاسبه فشار دیفرانسیل کاربردهای زیادی دارد.

در این مثال،
از دو فرستنده با رنج ۰ تا ۱۰۰ PSI و خروجی ۰ تا ۱۰ ولت DC استفاده خواهیم کرد.
یکی در داخل یک ظرف تحت فشار غوطه ور در زیر آب و دیگری در خارج از این ظرف قرار می گیرد.
فشار دیفرانسیل میزان نیرویی را که به دیواره کشتی وارد می شود، تعیین می کند.

محاسبات در اینجا بسیار ساده است. به سادگی یکی را از دیگری کم کنید.

Pdifferential = Pexternal – Pinternal

نتیجه گیری و خلاصه

سه روش متداول برای اسکیل بندی سنسور وجود دارد:

1. مقیاس بندی خطی
2. مقیاس بندی نقشه برداری
3. مقیاس بندی فرمول

همانطور که می بینید، موارد زیادی وجود دارد که بیش از یکی از این تکنیک ها می تواند کاربرد داشته باشد.
بهترین انتخاب برای اسکیل بندی سنسور ها معمولاً به سخت افزار / نرم افزاری که با آن کار می کنید، بستگی دارد.

مقیاس‌بندی خطی ساده‌ترین روش برای اسکیل بندی است.
با این حال، سنسورهای با خروجی خطی، گران‌تر هستند؛
زیرا برای خطی‌سازی خروجی خام از مبدل، به سخت‌افزار اضافی نیاز است.

مقیاس‌بندی نقشه‌ای یا نقشه برداری بیشتر از آنچه که ما حتی متوجه آن می‌شویم، استفاده می‌شود.
هر زمان که یک سنسور دمای مقاومتی به شما یک خوانش دما می دهد، مقیاس بندی نقشه برداری در جایی در امتداد خط کار می کند.
مقیاس بندی فرمولی برای اسکیل بندی سنسور ها بسیار قدرتمند است؛
اما به تنظیمات سخت افزاری / نرم افزاری نیاز دارد.