Bu doküman, Capgo Pty Ltd "Measurement theory" grubundaki kaynaklarından "Equipment specifications" adlı bölümünün Türkçe'ye çevirisidir.
(Capgo Pty Ltd. ölçme, izleme, veri toplama, veri kaydetme konularına odaklanmış bir danışmanlık ve taahhüt tasarım firmasıdır.)
VERİ TOPLAMA (DAQ) SİSTEMLERİ SPESİFİKASYONLARI
GİRİŞ
Öncelikle konu ile ilgili, endüstri ve araştırma profesyonellerine çözümler önerilirken kullanılan bazı temel tanımlara yine Capgo kaynaklarına dayanarak yer verelim.
Veri Toplama (Data Acquisition) : Veri toplama, otomatik olarak ölçüm alma prosesidir. Ölçümler, sıcaklık, basınç, akış, nem, coğrafi konum, titreşim, tuzluluk vb. binbir parametre şeklinde olabilir. Ölçümler bir prosesin kontrolü için veya sonradan analiz edilmek için veya sadece ilgililere gösterilebilmesi için alınıyor olabilir. Çoğunlukla veriler daha sonraki bir tarihte taranabilecek şekilde saklanır veya kaydedilir.
Veri Kaydetme (Data Logging) : Veri kaydetme, verilerin sonradan kullanımına yönelik olarak saklanmasına yönelik bir veri toplama işlemidir. Bazen kaydetme işlemi, zamana veya belli bir tipten olaya koşullanmış olarak gerçekleşir. Çoğunlukla veri kaydediciler, sonradan yerleştirilen, pille çalışan, uzun süre irtibat kurulması gerekmeyen, kendi başlarına yeterli cihazlardır.
İzleme (Monitoring) : İzleme ile kastedilen, ölçümlerin alınmasının hemen ardından sıradışı durumların tesbiti için analiz edildiği bir veri toplama prosesidir. Sonraki daha detaylı analizler için veriler ayrıca kaydedilebilir.
Durum İzleme (Condition Monitoring) : Durum izleme de yine bir veri toplama işlemidir ama özellikle bir makinanın veya yapının ne kadar sağlıklı olduğunu belirlemeye yöneliktir. Analizin sonradan yapılabilmesi için çoğunlukla durum verileri kaydedilir çünkü analiz aşaması çok komplike olabilir.
Gerçek-Zamanlı İzleme (Real-Time Monitoring) : Gerçek-zamanlı izleme ile kastedilen, verilerin toplanırken eşzamanlı olarak tam analizin yapılıyor, sıradışı durumlar ya da önceden tanımlanmış veya tanımlanabilir olaylar gerçekleştiğinde uyarıların iletiliyor olmasıdır.
Veri Kaydedici (Data Logger) : Veri kaydedici (ya da "veri-kaydedici" şeklinde yazılabilir) sonradan bilgisayara aktarma işlemleri için verilerin saklandığı bir veri toplama cihazıdır.
Genel
Bu bölümde veri toplama sistmeleri kapsamında ele alınabilecek sisteme entegre ölçü aletlerinin teknik özelliklerinin anlaşılmasına yardımcı olmak amaçlanmıştır. Bazen özellikler gerçeği belirtmek açısından sınıfta kalmakta bazen de (kimi zaman art niyetle) kişiyi yanlış yönlendirmektedirler. Öncelikle kendi ihtiyaçlarınızı anlamanız önemlidir, sonra da bunların ekipman özellikleriyle ne kadar uyuştuğunu. Eğer bir teçhizat elemanı, sizin için önemli belli bir özelliği gereğince/etraflıca karşılamıyorsa büyük olasılıkla teçhizat uygun değildir. Çoğu saygın imalatçılar, ölçü aletleri için çok kapsamlı özellikler sağlarlar. Önemli özellikler, aşağıdaki tabloda tipik önem sırasına göre sunulmuştur.
| Özellik | Zayıf | Yeterli | İyi |
|---|---|---|---|
| Doğruluk (25°C'de) | % 1 | % 0,1 | % 0,01 |
| Doğruluk (0 _ 50 °C arasında) | % 2 | % 0,2 | % 0,02 |
| Çözünürlük (gerilim) | 50 µV | 5 µV | 1 µV |
| Çözünürlük (bit) | 10 | 12 | 16 |
| CMRR (Common Mode Rejection Ratio) Ortak Mod Dışlama Oranı | 80 dB | 95 dB | 110 dB |
| 50/60 Hz Dışlama | 10 dB | 40 dB | 50 dB |
| Ortak Mod Aralığı (Common Mode Range) | ± 1 V | ± 5 V | ± 10 V |
| Hız | 5 Hz | 100 Hz | 50 kHz |
| Oturma Zamanı (% 0,01) | 100 ms | 5 ms | 10 µs |
| Sıcaklık Aralığı | 15 _30 °C | 0 _ 50 °C | -45 _70°C |
| Giriş Eğilim (Bias) Akımı | 1 µA | 10 nA | 100 pA |
| Giriş Empedansı | 100 kOhm | 10 MOhm | 100 MOhm |
| Kanallararası Sızıntı | 60 dB | 80 dB | 110 dB |
| RF Etkileşimi (RF susceptibility) | 50V/m | 500 V/m | 2 kV/m |
| Giriş Gürültüsü (tepeden tepeye) | 10 µV | 3 µV | 1 µV |
Enstrümantasyon üstatları bu tabloyu, bu şekilde genelleştirmenin çok basite indirgemek olduğunu söyleyerek belki onaylamayacaklardır. Her ne kadar bu eleştiri doğruysa da, bu tablo aşağıdaki açıklamalar için bir başlangıç noktası oluşturmaktadır.
Doğruluk
Doğruluk, değişik kişiler için değişik anlamlar ifade edebilir. Aynı zamanda doğruluk, bir çok değişik şekilde belirtilebilir. Birleşerek, toplam sistem doğruluğunu azaltan bir çok hata kaynağı vardır. En yaygın olarak doğruluk, 20 veya 25°C'de tam skalanın yüzdesi olarak belirtilir. (Uygulamada) beş temel hata kaynağından sözedebiliriz.
- Skala kalibrasyon hatası
- Doğrusallık hatası
- Sıfır veya ofset hatası
- Sıcaklık esaslı kaymalar
- Yaşlanma esaslı kalibrasyon kaymaları
Bazı imalatçılar bunları tek bir sistem doğruluğu rakamında gruplamayı tercih ederler. Varsayımlar doğruysa bu bir sorun yaratmaz. Örneğin 25°C'de %0,1 doğruluk ifadesi, ekipmanın 15°C'deki performansı için hiç bir şey söylemez ama ekipman hava koşullandırmalı bir odada kullanılacaksa, basitleştirilmiş spesifikasyonun bir sakıncası yoktur. Daha kullanışlı bir spesifikasyon 10 _ 40 °C sıcaklık aralığında tam skala üzerinden %0,13 şeklinde olmalıdır.
Çözünürlük
En başta belirtelim ki, çözünürlüğün doğruluk ile hiç bir ilişkisi yok sayılır. Çözünürlük, sistemin iki ayrı fakat birbirine çok yakın giriş seviyesini çözümleme/ayırma yeteneğinin ölçütüdür. Bu ölçüt, ölçülen parametrenin birimleri (örneğin °C) cinsinden ifade edilebilir, belli kazanç düzeylerinde ölçme cihazının girişlerinin birimi (örneğin µV) cinsinden ifade edilebilir veya, ölçme cihazının analog-dijital-çeviricisinin ikili (binary) sözcük çıkışındaki bitlerin sayısı olarak ifade edilebilir. Bu sonucusu hem yaygınlaşmıştır, hem iyi/tamsayılı bir ifadedir, hem de belirlenmesi basittir.
Değişik sistemlerin, her tip çözünürlük spesifikasyonu karşısında, sensör sensitivitesine, gürültü düzeylerine, yükselteç kazançlarına, ADC açıklığı ve sözcük büyüklüğüne, ve örnekleme zamanına bağlı farklı bir ilişkisi vardır. Aşağıdaki tablo, muhtelif çözünürlük rakamlarının bazı tam skala koşullarına ve bir sensöre yansımasını gösteriyor.
| ADC Bit | % Tam skala | 5 V Tam skala | 0,5 V Tam skala | 50 mV Tam skala | T-Tip Termokupl (50 mV skalası) |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 | 6,3 % | 310 mV | 31 mV | 3 mV | 80 °C |
| 6 | 1,6 % | 78 mV | 8 mV | 1 mV | 20,0 °C |
| 8 | 0,4 % | 20 mV | 2 mV | 200 µV | 5,0 °C |
| 10 | 0,10 % | 5 mV | 490 µV | 49 µV | 1,3 °C |
| 12 | 0,02 % | 1 mV | 122 µV | 12 µV | 0,3 °C |
| 13 | 0,012 % | 610 µV | 61 µV | 6 µV | 0,16°C |
| 14 | 0,006 % | 310 µV | 31 µV | 3 µV | 0,08°C |
| 15 | 0,003 % | 150 µV | 15 µV | 2 µV | 0,039°C |
| 16 | 0,0015 % | 76 µV | 8 µV | 1 µV | 0,020°C |
| 18 | 0,0004 % | 19 µV | 2 µV | 0,2 µV | 0,005°C |
| 19 | 0,00019 % | 10 µV | 1,0 µV | 0,10 µV | 0,0024°C |
| 20 | 0,00010 % | 5 µV | 0,5 µV | 0,05 µV | 0,0012°C |
| 22 | 0,000024 % | 1,2 µV | 0,12 µV | 0,012 µV | 0,0003°C |
| 24 | 0,000006 % | 0,3 µV | 0,03 µV | 0,003 µV | 0,0001°C |
Bu tablo, gürültünün çözünürlüğü kısıtlayan katkısını ihmal ediyor. Gürültünün çözünürlük üzerindeki etkisi çok farklılık gösterse de, genellikle yüksek kazançlı veya yüksek çözünürlüklü ( > 18 bit) sistemler üzerinde etkilidir. Cihaz gürültüsünün en sorunlu kaynaklarından biri bir yükseltecin giriş kademesinde ortaya çıkan transistör titreşmesi (flicker) olarak bilinen gürültüdür. Bu, kararlı bir giriş üzerinde arka arkaya iki farklı okumaya yol açarak ölçümde bir belirsizlik yaratır. Eğer bir zaman periyodunda okumaların ortalamasını almak mümkünse (bir filtreleme şekli) bu gürültü azaltılabilir. Ama böyle bir ortalama alma, sistemdeki hız gereksinimi nedeniyle mümkün olmayabilir.
Sorulması gereken başka önemli bir soru ise, "teçhizatın tam skala giriş aralığı, sensörün muhtemel çıkış aralığı ile uyumlu mu?" şeklinde olmalıdır. 1 V kademesiyle bir termokupl (tipik tam skala çıkışı 10 _ 50 mV arasında) ölçümü yapmak, büyük olasılıkla tatmin edici sonuçlara ulaştırmayacaktır. Tabii teçhizat çok çok yüksek çözünürlüklü ve giriş ofseti kararlı değilse.
Ortak Mod Dışlama Oranı (CMRR)
Ortak Mod Dışlama Oranı (Common Mode Rejection Ratio) yanlış anlaşılan bir özelliktir. Sadece diferansiyel (fark) girişler için geçerlidir ve bir ölçme sisteminin giriş elektroniği için iyi bir kalite ölçütüdür. İdealde rakam çok yüksek olmalıdır, 120 dB veya ötesi, CMRR için en basit tanım şöyledir:
CMRR = 20 log (diferansiyel kazanç / ortak mod kazancı)
Buradaki kazançlar, normal olarak voltaj kazançlarıdır. Spesifikasyonun önemini bir örnekle gösterelim. Bir bataryadaki birkaç lityum hücrenin sıcaklığını ölçtüğümüzü varsayalım. Her bir hücrenin metal anoduna bir T-tip termokuplu, punto kaynağı ile tutturmuş olalım. Birbirine komşu iki hücreyi gözönüne alırsak termokupllar arasında yaklaşık 3 voltluk bir ortak mod gerilim farkı olacaktır. Muhtelif CMRR spektleri için bu fark ne kadar sıcaklık hatası yaratır?
| CMRR | Giriş Voltaj Hatası (VCM = 3 V) | Sıcaklık Gösterim Hatası |
|---|---|---|
| 60 db | 3000 µV | 77 °C |
| 70 db | 949µV | 24 °C |
| 80 db | 300 µV | 7,7 °C |
| 90 db | 95 µV | 2,4 °C |
| 100 db | 30 µV | 0,8 °C |
| 110 db | 9,5 µV | 0,2 °C |
| 120 db | 3,0 µV | 0,08 °C |
| 130 db | 0,9 µV | 0,02 °C |
| 140 db | 0,3 µV | 0,01 °C |
Açıkça görülüyor ki, mesala 0,5°C'den küçük bir hata için 105 dB CMRR gerekiyor ki, bu yalnızca 3 Volt ortak mod gerilimi için. Bir de bataryanın tam 12 V gerilimi söz konusu olursa, o zaman CMRR'nin 120 dB'e yaklaşması gerekecek.
Tabii başka kaynakların maliyetinin artması pahasına, CMRR için daha mütevazi rakamlara çekilinebilir. Eğer sıfır ölçümü, asıl ölçümü yapılacak değer ile aynı ortak mod voltajında yapılıp bu ölçümden düşülebilecekse, o zaman CMRR'nin etkisi bertaraf edilebilir. Öyleyse düşük bir CMRR rakamı (örneğin 70 dB), eğer ekstra sıfır ölçme kanalları için kapasite mevcutsa, tolere edilebilir.
CMRR spesifikasyonunu komplike kılan bir faktör dışlamanın frekans yanıtıdır. Normalde ortak mod voltajının frekansı yükseldikçe, CMRR hızlı bir şekilde düşer. Bu düşüşün oranı genelde dekad başına 20 dB olup başlangıç noktası 5 - 100 Hz aralığındaki düşük frekanslardır. En kullanışlı spesifikasyon, CMRR'nin şebeke frekansındaki (~50 Hz) değeridir.
Hırıltı Dışlama (50/60 Hz dışlama)
Gürültü kapmanın en yaygın nedenlerinden birisi, şebekeden çalışan makinalar ve onlara ait enerji hatlarından indüktif veya kapasitif olarak kuplajdır. Kuzey Amerika'da şebeke frekansı 60 Hz, diğer çoğu yerde 50 Hz'dir. Dolayısıyla indüklenen gürültünün ana frekansı 50 ya da 60 Hz olsa da harmonikleri de zengin olabilir.
Bu gürültü, ortak mod sinyali olarak kendini gösterebilir ki bu durumda ortak mod dışlamanın frekans karakteristiği önemlidir. Ayrıca gürültü, sensör sinyali üzerine (veya seri olarak) binmiş olabilir. O takdirde sinyal hattından filtrelenmesi gerekir ve Seri Mod Dışlama rakamı önem kazanır.
Etkili seri mod dışlaması, efektif örnekleme periyodu en azından bir 50 veya 60 Hz çevrim periyodu kadar olan nispeten yavaş sistemlerde mümkündür. Çok - eğimli (multi-slope) üniteler veya voltaj kontrollü osilatörler gibi toplayıcı ADC'ler kullanıp 50 veya 60 Hz çevrimlerin bir kaç tanesi boyunca örneklemekle, çok iyi dışlama yapılabilir. Bu teknikle kolaylıkla 40 dB değerine, dikkatli bir tasarımla 60 - 70 dB değerine ulaşılır. Hem 50 hem de 60 Hz ile etkili olarak başettiği için 100 ms (veya katı) bir periyodun, sırasıyla 5 veya 6 çevrim boyunca örnekleme yapılarak kullanılması yaygındır.
Bazı özel uygulamalar için, 50 veya 60 Hz gürültüyü, eşit büyüklükte ve ters fazda bir sinyali enjekte ederek filtrelemek mümkündür. Bu yaklaşım, gürültü görece sabit ve temiz olduğunda başarılıdır ve elektrokardiyograflara uygulanmıştır. Ancak, daha geniş amaçlı enstrümanlarda kullanılmaz.
Giriş Ortak Modu Aralığı (Sıhası)
Giriş ortak modu aralığı, sizin cihazınızda yeterince olmadığını farkedene kadar ihmal edilen şeylerden biridir. Rakam ne kadar büyük olsa o kadar iyidir.
Ortak mod sıhası spesifikasyonunun üç yönü vardır. Birincisi, bir giriş kanalındaki tam kullanılabilir sıhaya dair olup, sınırlama etkileri nedeniyle bunun ötesine geçildiğinde ölçüm hataları oluşmaktadır. İkinci yön, bir girişin diğer kanalları etkilemeksizin koruyabildiği tüm kullanım aralığına ilişkindir. Üçüncü ortak mod aralığı, girişlerin maruz kalabileceği güvenli aralığa yöneliktir ki ötesinde komponent arızaları ortaya çıkabilir. Uygulama örneğiyle açıklayalım:
Bir UPS (kesintisiz güç kaynağı) bataryası düşünelim. Büyük tesisatlar için seri bağlanmış 200 ünite bulunabilir. Her bir hücre terminalinin 2V olduğunu ve batarya bankasının bir tarafının topraklandığını varsayalım. Bu durumda bankanın en sonundaki hücre topraktan 398 V yukarıda olacaktır. Bu hücrenin voltajını ölçmek için, ölçü aleti sadece 2 V ölçeceği halde, ölçme uçlarında yaklaşık 400 V tolere edebilmelidir. Başka bir ifadeyle bu 400 V her iki ölçme ucuna da ortaktır ve ortak mod gerilimi olarak adlandırılır. (Daha kesin söylemek gerekirse, ortak mod gerilimi iki uç üzerindeki voltajların ortalamasıdır, yani [398 + 400] / 2 = 399 V)
Tek kanallı/girişli sistemler (örneğin multimetre) , ekseriyetle oldukça yüksek ortak mod voltaj aralığına sahip olabilir çünkü elektriksel yalıtımı sayesinde cihazın tamamı ortak mod geriliminde çalıştırılabilir. Çok kanallı sistemlerde, ortak mod gerilimlerinin ekipmana eşzamanlı olarak verilmesi gerektiğinden, cihaz içinde elektriksel olarak yalıtılmış olmaları gerekir. Bu yalıtım, giriş yol seçici anahtarı veya multiplexer tarafından sağlanır. 30V üzerindeki ortak mod aralıkları için tipik olarak mekanik röleler, 30V altı voltajlar için yarıiletken multiplexer kullanılmaktadır.
Hız ve Oturma Zamanı
Hız gereksiniminin iyi anlaşılması gerekir. Hız, birbiriyle ilgili fakat değişik özelliklere işaret edebilir. Bir girişin örneklenmesi, işlenmesi ve çıkış verilmesi dögüsünün hızı, belki de en kullanışlı özelliktir. Yaygın olarak iş/zaman oranı (throughput) şeklinde nitelenir. Yavaş bir sistem saniyede 5 okumadan az, hızlı bir sistem saniyede 500 000 okuma gibi bir iş/zaman oranına sahip olabilir. Özel amaçlı sistemler saniyede 2 000 000 000 örneğe ulaşabilirler.
Bir sistemin bir okuma yapmak için kullandığı zamana, veya bir okumaya yönelik sinyalin örneklendiği gerçek zaman dilimine toplama hızı denir. Yavaş bir sistem için 200 ms veya daha uzun, örnekleme ve tutma devresi kullanan hızlı bir sistem için bir nanosaniyeden daha kısa sürebilir. Yine, özel amaçlı sistemler daha hızlı olabilirler.
Bazen bir sistem yüksek hızlı bir ön devre ve ADC (analog-dijital dönüştürücü) kullandığı halde, iş/zaman oranı göreceli olarak düşük kalabilir. Bunun nedeni, girişteki ham verilerin işlenmesi (filtrelenmesi) ve yazılımdaki hataları kompanse etmek için indirgenmesi olabilir.
Hızlı bir sistemi yavaşlatmak her zaman mümkün olduğu halde, yavaş bir sistemi hızlandırmak genellikle mümkün olmaz. Bu bazılarını, işi sağlamak almak için hızlı sistemlere yöneltebilir ancak, ekseriyetle hız arttıkça başka özelliklerden feda ediliyor demektir.
Sıcaklık Aralığı
Çoğu ölçme cihazı, sadece sınırlı bir sıcaklık aralığında doğru olarak çalışr. Bu sınırlamanın nedeni yapıldıkları elemanların temel özellikleridir. Örneğin:
| Komponent | Sıcaklık aralığı |
|---|---|
| Alkalin piller | -5 ... 50 °C |
| LCD göstergeler | -5 ... 50 °C |
| Yarıiletkenler | -45 ... 80 °C |
| Plastikler | -15 ... 70 °C |
Sıcaklıkla ilişkili çalışma sınırlarına ek olarak, sıcaklıktaki değişimlerin ölçme cihazının gösterimini değiştirmesi söz konusudur. En yaygını giriş sıfırının değişmesidir, diğer yandan skala kalibrasyonu veya doğrusallık da değişebilir. Bu etkinin büyüklüğü normal olarak ppm/°C (part per million/derece Celsius) şeklinde ifade edilir.
Giriş Eğilim (Bias) Akımı ve Giriş Empedansı
Tüm amplifikatörler (yükselteç), giriş eğilim akımına sahip olmalıdır. Bu, yükseltecin düzgün çalışması için onun girişine veya girişinden akma imkanı bulacak düşük bir akımdır. Bu akım, ya sensörler ya da giriş bias dirençleri tarafından sağlanır. Bazen giriş eğilim akımı ihmal edilebilecek kadar küçük olabilir, ancak düşük maliyetli sistemlerde genellikle yeterli miktarda sağlanması gerekir.
Giriş bias akımı ve giriş empedansı birbirleriyle ilişkilidir fakat farklı özelliklerdir. Giriş empedansı, bir yükseltecin giriş voltajı değiştiği zaman giriş akımının ne kadar değişeceğini gösteren bir ölçüttür. Ohm kanunu ( Z = V / I ) kullanılarak giriş empedansı hesaplanır. Çoğunlukla yüksek bir giriş empedansı ile sonuçlanacak bir şekilde, giriş voltajındaki bir değişiklik karşısında giriş eğilim akımı çok az miktarda değişir.
Kanallararası Sızıntı
Çok kanallı bir ölçme cihazının bir kanalındaki sinyal başka bir kanalla karışabilir. Bu özellikle yüksek frekanslı girişler için doğru olmakla birlikte, akım sızmasının ortaya çıkabildiği yüksek seviyeli DC sinyallerle de mümkündür. Karışma (sızıntı) çoğunlukla desibel olarak belirtilir:
Sızıntı (CrossTalk) = 20 log (Vin / Vint) dB olarak
burada,
Vin, istenmeyen giriş sinyali eşdeğer büyüklüğü
Vint, karışan kanal sinyal büyüklüğüdür.
Etkisi "ortak mod dışlama"ya benzer.
RF Etkileşimi
Sensör bağlantıları, radyo antenleri gibi davranabilirler ve ölçme cihazının radyo frekanslı enerjiyi dışlayacak dahili bir filtresi yoksa, işin içine hatalar girecektir. Bazı solid state (katı hal) amplifikatörleri, 1MHz'den 1GHz'e kadar geniş bir bantta, radyo frekanslı enerjiye özellikle duyarlı olabilirler. Bu durum, bir DC ofset oluşturmak için sinyali doğrultan parazitli diyotlar yüzünden ortaya çıkar (imalat prosesinin bir yan etkisi).
Giriş Gürültüsü
Düşük seviyeli sinyaller ölçülecekse, ölçme cihazının giriş amplifikatörünün (yükselteç) düşük gürültülü tipten olması önem kazanır. Düşük gürültülü ile gürültülü bir yükselteç arasında 20 katlık bir fark olması mümkündür. Gürültü, filtreleme yapılarak bastırılabilirse de, bedeli sinyal-gürültü-oranı aynı kaldığı halde yavaşlamış bir yanıtlamadır.
