Kablo Enstrümantasyonu: Sıklıkla Göz Ardı Edilen Önemli Konu

ÖZET

Ölçüm zincirindeki diğer komponentlere göre (örneğin sensörler, sinyal şartlandırıcılar, anti-Aliasing filtreleri, yüksek çözünürlüklü veri toplama cihazları gibi) kablolar çok da ilgi çekici bileşenler değildir. İşlevleri genellikle içeri giren her şeyin başarıyla çıktığı bir borudaki akışkan akışına benzetilir. Kablolar son derece önemlidir ve enstrümantasyon sistemlerinde en büyük sorun kaynaklarından biri olabilir. Sensörlerden gelen sinyallerin kayıt ve analiz amacıyla yüksek doğrulukla iletilmesi için uygun kabloların seçilmesi zorunludur. Bu yazıda, hatalı kablo seçiminin yol açabileceği sinyal bozulmalarına ilişkin rehber niteliğinde bilgi sunmaktadır. Söz konusu bozulma; kabloların filtre etkisi göstermesi, kablo içinde sinyal üretilmesi ya da bu iki etkinin birlikte ortaya çıkması sonucunda meydana gelebilir.

GİRİŞ

Enstrümantasyon mühendisleri tipik olarak alt ve üst -3 dB frekans noktaları, sinyal-gürültü oranı (SNR), anti-aliasing filtre tipleri ve ayarları, veri dijitalleştirme hızları, bit çözünürlükleri ve son işlem (post-processing) süreçleri gibi parametreler üzerinde yoğunlaşır. Kablolar ise genellikle sonradan akla gelen parametreler olmaktadır. Enstrümantasyon sistemi tasarımında kablo seçim kriterleri asgari düzeyde şunları kapsamalıdır:

• Konnektörde hermetiklik ve güvenilirlik
• Çalışma sıcaklık aralığı
• Empedans
• Koruma (shielding)
• Düşük gürültü
• Aşınma direnci
• Mekanik dayanım
• Düşük ağırlık
• Esneklik – max bükme yarıçapı
• Low-outgassing (vakum ortamında çalışma için)
• Maliyet

Bu liste kablo konektörlerini de kapsayacak biçimde genişletilebilir. Konnektörler çok sayıda ince parçadan oluşur; titreşim sırasında pin temasının kesilmesi (pin chatter) gözlemlenebilecek birçok hatadan yalnızca biridir. Bu yazı iki temel konuya odaklanmaktadır: (1) kablo empedansına bağlı istem dışı sinyal filtrelenmesi ve (2) kablo kaynaklı gürültü üretimi (Şekil 1)

Sensör Sinyalleri

Statik basınç ve kuvvet ölçümleri tipik olarak köprü tipi sensörler ile yapılır. Bu ölçümlerde çoğunlukla metal gerinim ölçer (strain gage) içeren sensörler kullanılmakla beraber, yarı iletken gerinim ölçerler de kullanılabilmektedir. Ayrıca, gerinim doğrudan ölçüm parametresi de olabilir; bu durumda metal gerinim ölçerler ilgili yapıya yapıştırılarak köprü devresine bağlanır. Tüm bu ölçümlerde kablo; köprü besleme gerilimini köprü devresinin uygun giriş köşelerine zayıflama olmaksızın iletilmesini sağlamalıdır. Bu nedenle kablo direnci dikkate alınmalıdır.

Titreşim ölçümleri endüstriyel olarak genellikle 2.500 Hz’in altındaki frekanslarda piezoelektrik ivmeölçerler kullanılarak yapılır. Günümüzde piezoelektrik ivmeölçerlerin büyük çoğunluğu, genellikle 2–20 mA aralığında (tipik olarak 4 mA) sabit akım beslemesiyle çalışan entegre elektronik devreler (IEPE; PCB’nin ticari adıyla ICP®) içermektedir [4]. Uzun kablo mesafeleri gerektiren titreşim testlerinde bu akımın artırılması gerekmektedir. Benzer şekilde, yüksek frekanslı mekanik şok ölçümlerinde (örn. 10.000 Hz’e kadar) uzun kablo mesafelerinde ICP® tipi ivmeölçerler kullanılırken daha yüksek akım değerleri gerekebilir. Bu durum, kablo kapasitansından kaynaklanan filtreleme etkisini gidermek amacıyla gereklidir. Bazı durumlarda (örneğin, yüksek sıcaklıklar), piezoelektrik ivmeölçer bu entegre elektronik bileşenleri barındırmayabilir ve bunun yerine bu bileşenler harici yerleştirilmiş olabilir. Bu ikinci durumda, henüz ele alınmamış olan başka kablo sorunları da devreye girer.

Hava patlaması (air blast) ölçümleri, yüksek frekans gereksinimleri açısından son derece zorlu koşullar içerir [2]. Bu ölçümlerde tipik olarak piezoelektrik veya MEMS teknolojisi kullanılır. Saniyede 1.000.000 örneğe kadar ulaşan frekanslarda veri dijitalleştirilmesi için geniş kullanılabilir frekans aralığına sahip sinyal şartlandırıcılar gereklidir. İlgili patlayıcı ortam, sensör konumlarının yüzlerce metre uzaklıkta olmasını zorunlu kılabilir. Son derece yüksek frekans gereksinimleri nedeniyle, kablonun kapasitansı ve endüktansının her ikisi de dikkate alınmalıdır çünkü her ikisi de sinyal bozulmasına veya filtrelenmesine neden olabilir.

Kablo Filtreleme Etkileri

Bu bölümde filtreleme; sensörden gelen çıkış sinyalinin frekans içeriğinde kablo nedeni ile oluşabilecek her türlü zayıflama veya değişiklik olarak tanımlanmaktadır. Bu etkinin anlaşılabilmesi adına sadece kabloya özgü empedans kaynaklarına odaklanılacaktır. Bu kaynaklar; birim uzunluk başına kablo direnci (r), birim uzunluk başına kapasitans (c), birim uzunluk başına endüktans (l) ve birim uzunluk başına iletkenlik (g – bir iletkenden diğerine kaçak akım)’dır. Aşağıda yer alan Şekil 2 Δx uzunluğundaki bir kablo parçasının lumped mass modelini göstermektedir. Giriş ve çıkış akımları ile gerilimleri de gösterilmektedir. Enstrümantasyonda kullanılan kablolar genellikle sıkı demet halinde, bükümlü çift (twisted pair) veya koaksiyel konfigürasyonlarında olduğundan iletkenlik (g) çoğunlukla ihmal edilebilir.

Statik ölçümler yapan köprü tipi sensörler, kablo sinyal zayıflaması açısından analiz edilmesi en kolay olanlardır. Şekil 3’den görülebileceği üzere seri hat direnci (rL, L = kablo uzunluğu) köprüde mevcut olan besleme gerilimini sınırlar. Bu nedenle sinyal zayıflamasını önlemek için besleme gerilimi (2rL + R_bridge) / R_bridge oranı kadar artırılmalıdır.

Şekil 4, dinamik ölçümlerde kullanılan sabit akım beslemeli ICP ® sensörlerinin şematiğini göstermektedir.

Dinamik ölçümlerde kullanılan ICP® piezoelektrik ivmeölçerler veya basınç sensörlerinde, sabit akım diyotu ile amplifikatör arasındaki koaksiyel veya iki iletkenli kablonun etkisi göz önünde bulundurulmalıdır. Çok uzun kablo boylarında kablo kapasitansı için yeterli akımın sağlandığından emin olunmalıdır. Kabloyu besleyen zamanla değişen akım i(t) = (I)sin(2πft) ise, devre çıkış gerilimi şu şekilde ifade edilir:

Burada C, toplam kablo kapasitansı cL’dir. Sensörden ölçülen voltaj değerinin bu toplam kapasitansla ters orantılı olduğu görülmektedir. Dolayısıyla, kablo uzunluğu arttıkça ölçülen voltaj değeri v(t) azalır. Aynı ters orantı frekans için de geçerlidir. Buna karşın voltaj, besleme ya da sürüm akımıyla doğru orantılıdır. Ölçümde ilgilenilen üst frekansa bağlı olarak, kapasitans (C) arttıkça sinyal zayıflamasını önlemek için besleme akımının da artırılması gerekmektedir.

Kablonun çıkış uçlarındaki kapasitans, strain gage ve MEMS sensörlerden gelen sinyali 0 Hz’in üzerindeki frekanslarda önemli ölçüde etkileyebilir. Çıkış voltaj sinyaliyle paralel bağlı C = cL kapasitansının etkisi şu zayıflama oranıyla hesaplanabilir:

Bu oran 1,0’e yakınsa sinyal kaybı yoktur. Örneğin oran 0,9 olarak hesaplanırsa f frekansında sinyal %10 oranında zayıflamış (yani hata içeriyor) demektir. Hesaplamada ilgilenilen en yüksek ölçüm frekansı kullanılmalıdır.

Kapasitif reaktans 1/(2πfC), ve endüktif reaktans 2πfL’dir. Düşük frekanslarda kablo kapasitansı baskındır; ancak yüksek frekanslarda (yüksek frekanslı mekanik şok veya patlama ölçümlerinde olduğu gibi) toplam kablo endüktansı L = lL de baskın hale gelir. Şekil 5, 400 ft uzunluğundaki Belden [5] non-paired #82418, 4 iletkenli kablonun ölçülen frekans tepkisini göstermektedir; 22 AWG, florlu etilen propilen yalıtımlı, Beldfoil® korumalı, 0,15 μH/ft nominal endüktans ve 30 pF/ft iletken-iletken kapasitansına sahiptir.

5 farklı frekans yanıt eğrisi de aynı kablo için ölçülmüştür. Her bir yanıt, farklı bir kablo sonlandırma empedansıyla ilişkilidir. Ayrıca, 50 kHz’e kadar olan frekanslarda kablonun sonlandırma empedansının frekans yanıtı üzerinde hiçbir etkisi olmadığı da görülmektedir. Sonsuz bir sonlandırma empedansı (burada 1 MΩ kullanılmıştır) ile frekans tepkisi içinde rezonans tepe noktaları görülmektedir. Bunlardan ilki nominal olarak 330 kHz’dir. 100 Ω’luk bir sonlandırma empedansı ile aynı kablo için düz frekans tepkisi bölgesinin 50 kHz’den 500 kHz’e kadar 10 kat genişlediği görülmektedir. Bu örnekte açıkça görüldüğü üzere, 50 kHz’nin üzerindeki frekanslarda, kablo sonlanma şekline bağlı olarak, kablo ilettiği sinyali büyük ölçüde güçlendirebilir veya zayıflatabilir.

Şekil 5, 100 ohm’luk (70,7 ohm’a yakın) kablo sonu empedansı için frekans tepkisinde neredeyse 10 katlık bir iyileşme olduğunu göstermektedir. Dolayısıyla, yüksek frekanslar ve uzun kablo boyları söz konusu olduğunda, kablo sonlanmasının empedans uyumu önemli hale gelmektedir.

Kablo Filtreleme Etkilerinin Özeti

Yukarıdaki bölümler aşağıdaki durumların değerlendirilmesine imkân tanımaktadır:

1. Kablo direnci nedeniyle statik (0 Hz veya DC) köprü ölçümlerinde sinyal zayıflaması
2. Kablo kapasitansı nedeniyle entegre elektronikli ICP® piezoelektrik sensörlerde yüksek frekanslarda ve uzun kablo mesafelerinde sinyal zayıflaması
3. Sinyal kablosu kapasitansı nedeniyle köprü sensörlerde orta frekanslarda sinyal zayıflaması
4. Mekanik şok veya patlama ölçümleri gibi yüksek frekanslı ölçümlerde, uzun kablo hatları üzerinde kapasitif ve endüktif yükleme nedeniyle sinyal değişimi

Sinyal doğruluğunu güvence altına almak için bu sinyal değişimine neden olan kablo parametrelerinin bilinmesi ve etkilerinin değerlendirilmesi zorunludur.

Kablo İçinde Sinyal Üretimi

Kablo içinde sinyal üretimi -kabloların dışarıdan gürültü almasının aksine-, triboelektrik etki olarak bilinen fenomenden kaynaklanmaktadır. Bu etki; milivolt düzeyinde sinyal veren köprü tipi sensörler veya entegre elektronik içermeyen (non-ICP®) piezoelektrik sensörler (ivmeölçerler, basınç sensörleri, kuvvet sensörleri) kullanılırken önem taşımaktadır. Bu etkinin ortaya çıkabilmesi için kablo hareketi şarttır. Triboelektrik etki, belirli malzemelerin farklı bir malzemeyle temas edip ayrılmasının ardından (sürtünme gibi) elektrik yüklenmesine yol açan bir temas elektrifikasyonu türüdür. Oluşan yüklerin polaritesi ve büyüklüğü; malzeme türüne, yüzey pürüzlülüğüne, sıcaklığa, gerinim büyüklüğüne ve diğer parametrelere bağlıdır. Bu nedenle ilgili etkinin tam olarak öngörülmesi oldukça güçtür. Tüm enstrümantasyon kabloları; metal iletkenler, iç dielektrikler, metal koruma örgüsü ve farklı malzemelerden oluşan dış kılıflardan meydana geldiğinden, kablonun herhangi bir hareketi sonucunda belirli düzeyde triboelektrik etkinin ortaya çıkması beklenir. Bu hareket; kablo titreşimine ya da kabloların bantlandığı veya sıkıca bağlandığı mekanik darbe ortamlarında, altlarından geçen gerilim dalgaları nedeniyle oluşan kablo sıkışmasına bağlı olabilir. Kablo bileşenleri arasındaki hareket ne kadar büyükse, üretilen yük de o kadar fazladır. Şekil 6, koaksiyel kablo içindeki bu yük oluşumuna ilişkin bir örneği göstermektedir.

Şekil 6’da görüldüğü üzere kabloda sürtünme nedeniyle koruma kılıfı ile dielektrik arasındaki göreceli hareket sonucu yük birikimi meydana gelir. Ardından koruma kılıfı ile dielektrik birbirinden ayrılır ve koruma kılıfı üzerindeki hareketli yük, sinyal işleme sürecinin bir sonraki aşamasına akar; bu da sinyalin üzerine eklenmiş gürültüye yol açar. Triboelektrik etkiyi azaltmak için iletkenler, dielektrik ve koruma örgüsü arasındaki boşluklar grafit ile doldurulur veya kaplanır. Grafit, kablo malzemeleri birbirinden ayrıldığında iletken bir shunt görevi görür ve yük birikimini büyük ölçüde azaltır.

Aşağıdaki Şekil 7’de triboelektrik serisinin bir tablosu yer almaktadır. Tablodaki malzemeler birbirinden ne kadar uzaksa, birbirlerine sürtüldüklerinde o kadar fazla elektrik yükü üretirler.

Triboelektrik etkilerden kaynaklanan kablo gürültüsüne yönelik temel çözümler şunlardır: (1) titreşimli ortamlarda kablonun ‘sallanmasının’ en aza indirilmesi, (2) şiddetli mekanik darbeye maruz kalan ortamlarda, gerilim dalgalarının kabloya iletilmesine neden olacak şekilde kablonun herhangi bir yapıya sabitlenmemesi (kablo mümkün olduğunca serbest bırakılmalıdır) ve (3) kablo bileşenleri arasında grafit dolgulu veya grafit kaplamalı kablo kullanılması.

Grafit dolgunun etkisini göstermek için Şekil 8’de uzun, ince bir çubuğa alüminyum bantla sabitlenmiş iki kablo gösterilmektedir. Kablolar, çubuktan mekanik olarak izole edilmiş 350 ve 1000 ohm’luk dirençlerle aynı şekilde sonlandırılmıştır. Testler sırasında çeşitli bant türleri kullanılmıştır. Şekil 8, kablo yerleşimi açısından birçok test konfigürasyonundan sadece birini göstermektedir. Çubuk, 1 boyutlu dalga hareketini sağlamak için 1 inç kare kesite ve 48:1 uzunluk/genişlik oranına sahiptir. Çubuğun ucuna birçok kez darbe uygulanmış ve kablo tepkileri izlenmiştir.

Ortadaki (beyaz) kablo Measurements Group’a (strain gage üreticisi); alttaki (siyah) kablo ise Calmont Wire and Cable tarafından ilgili test için özel olarak üretilmiştir [6]. Belirtildiği gibi, kablolar herhangi bir mekanik etkiden tamamen izole edilmiş direnç köprülerine bağlanmıştır. Şekil 9, çubuğun ucuna darbe uygulandığında elde edilen karşılaştırmalı test sonuçlarını (Calmont (mor çizgi) ile Measurements Group (sarı çizgi)) göstermektedir. Her ikisi de örgü koruma kılıfına sahiptir ve aynı AWG kablolama içerir. Bu özelliklerinin yanı sıra, Calmont kablosu grafit ile doludur. Grafit, sinyal oluşumunu belirgin biçimde azaltmıştır.

Kablo İçinde Sinyal Üretiminin Özeti

Bu etki; kablo malzemelerine, yapısına ve hareketine bağlı olduğundan tam olarak öngörülemese de, kabloda oluşan triboelektrik yük, ölçülen sinyallerde önemli bir hata kaynağı olabilir. ICP olmayan piezoelektrik sensörlerle veya çıkış sinyali milivolt seviyesinde olan köprü sensörlerle çalışırken bu etkiyi en aza indirmek için grafit dolgulu veya grafit kaplamalı kablo kullanılması değerlendirilmelidir. Kablonun esnekliği gibi diğer parametreler de dikkate alınmalıdır.

Sonuç

Enstrümantasyon sistemleri tasarlanırken kablo seçimine özen gösterilmelidir. Kablonun çalışma sıcaklığı aralığı, empedansı, koruma kılıfı, aşınma direnci, mukavemeti, ağırlığı, esnekliği, gaz salınımı (low-outgassing) ve maliyeti dikkate alınması gereken hususlar arasındadır. Bununla birlikte, kablonun hatalı filtreleme yoluyla sinyal zayıflamasına neden olma veya triboelektrik olaydan kaynaklanan iç yük gürültüsünü ölçülen sinyale katma olasılığı genellikle göz ardı edilmektedir. Bu yazının, çoğu zaman gözden kaçan bu hata kaynakları konusunda farkındalık oluşturmasını umuyoruz.

Kaynaklar

[1] Walter, P. L., “The Instrumentation Cable: Critical but Often Neglected”, PCB Piezotronics Technical Note TN-33, www.pcb.com. (yazının ana kaynağı)

[2] Walter, Patrick L., “Air Blast and the Science of Dynamic Pressure Measurement,” Sound and Vibration, ss. 10-16, Aralık 2004.

[3] Magnusson, P. C. ve diğerleri, Transmission Lines and Wave Propagation, CRC Press, 2000, ISBN 0-8493-0269-2.

[4] Signal Conditioning Basics for ICP® & Charge Output Sensors, PCB Piezotronics, www.pcb.com.

[5] Belden Wire and Cable, Indianapolis, IN.

[6] Calmont Wire and Cable, Santa Ana, CA.