Cetvrta Glava_Povezivanje Senzora i Pretvaraca

4. POVEZIVANJE SENZORA I PRETVARAA4.1. KLASIFIKACIJA SENZORA I MERNA KOLA Upravljanje industrijskim procesima i automatizovanim sistemima poiva na preciznim merenjima uz pomo senzora. iroka primena mikroprocesora i raunara ima znaajan uticaj na razvoj mernih sistema. Funkcije obrade signala integriu se sa senzorom, a pojavljuju se i senzori digitalnog tipa za direktno povezivanje sa raunarom. Savremeni senzorski sistemi se mogu podeliti na: standardni merni lanac centralizovani merni sistem (akvizicija podataka) distribuirani (decentralizovani) merni sistem Opta blok ema centralizovanog sistema akvizicije podataka je predstavljena na slici 4.1.1. Vie senzora je preko odgovarajuih kola za obradu signala, kola za objedinjavanje signala, multipleksera, A/D konvertora povezano za jedan raunar. Jednim raunarom nadgledamo neki proces i vrimo kontrolu promenom odreenih parametara.

Slika 4.1.1. Centralizovani sistem akvizicije podataka Kada se senzor nae pod dejstvom fizike veliine menjaju mu se jedan ili vie parametara i samo u idealnom sluaju signal na izlazu je potpuno proporcionalan merenoj veliini. Signal na izlazu senzora pokazuje mnoge neeljene osobine kao to su ofset, drift, nelinearnost i dr. Pored dobrog poznavanja ponaanja senzora i mogunosti izbora najboljeg za odreeni merni sistem, potrebno je primeniti savremene metode analogne i digitalne obrade signala kako bi se u to veoj meri umanjile nesavrenosti senzora. Jedna energetska forma se mora konvertovati u istu ili drugu energetsku formu sa tano istim sadrajem informacija kao originalna energetska forma. Signal iz senzora je, po pravilu, niskog nivoa. To znai da je neophodno, pre nego to se pree na konverziju i digitalnu obradu signala, izvriti pojaanje signala u cilju obezbeenja veeg dinamikog opsega i rezolucije i veeg odnosa signal/um. Nakon pojaanja signala iz senzora do

47

Povezivanje senzora i pretvaraa

potrebnog nivoa, moe se prei na konverziju signala iz analognog u digitalni oblik. Dalja obrada i prenos signala obavljaju se u digitalnoj formi. Na izlazu senzora moe se javiti naponski signal, strujni signal ili naelektrisanje. Ove veliine mogu biti jednog polariteta, bipolarne, promenljive ili u vidu impulsa. Korisna informacija moe biti sadrana u amplitudi, uestanosti, fazi signala ili trajanju impulsa. Razliite informacije kao to su zdravlje pacijenta, meteoroloka situacija, stanje saobraaja i dr. mogu se pretvoriti u elektrini signal. Samim tim senzori se mogu razvrstati prema oblastima primene kao to su biomedicina, meteorologija, prevozna sredstva itd. Na osnovu teorije po kojoj je nosilac informacije masa ili energija, proizilazi da se informacija o merenoj veliini ne moe dobiti ukoliko nema razmene energije ili mase izmeu objekta merenja i senzora. Energija predstavlja osnovni nosilac informacije, a poseban znaaj, zbog lakoe manipulisanja, pridaje se elektrinoj energiji. Sa stanovita prirode merene veliine, svi vidovi energije mogu se grupisati u est oblasti prikazanih na slici 4.1.2.

Slika 4.1.2. Vidovi energije koje pretvara merni pretvara Prema tehnologiji proizvodnje senzore delimo na: Klasina poluprovodnika tehnologija - IC MEMS = Mikro elektro-mehaniki sistemi tehnologija tanke naslage 1 nm .. 1 m tehnologija debele naslage - tampanje mree novi materijali: SiC, dijamant, amorfan, nanocrystlline, inteligentni materijali, memorijske legure integrisani senzori nanotehnologija, self-assembly Povezivanje senzora sa narednim stepenom u mernom lancu i kasnije A/D konvertorom je osnovna tematika ove glave. U okviru toga merni mostovi zauzimaju znaajno mesto. Mostovi jednosmerne struje se veoma esto nalaze u ulozi mernih kola za razliite tipove parametarskih senzora (temperaturni, tenzometrijski, senzori vlanosti i dr.) jer se odlikuju osobinama veoma pogodnim za tanu i jednostavnu obradu signala. Osnovno je da promena napona napajanja mosta ne utie na izlazni napon, a prolazak signala kroz nulu (ravnotea mosta) jasno je definisan. Osnovna struktura Vintstonovog mosta (Wheatstone) data je na slici 4.1.3. Izvor signala za napajanje mosta (koji moe biti i strujni) karakterie napon Ei i njegova unutranja otpornost Ri. Unutranja otpornost detektorskog kola (merni instrument ili merni sistem u serijskom nizu) u dijagonali mosta oznaena je sa Rd. Zadatak detektora je indikacija ravnotee mosta ili merenje napona razdeenosti mosta.

48


Slika 4.1.3. Osnovna struktura Vitstonovog mosta Most meri elektrine osobine elemenata strujnog kola poreenjem sa slinim elementom. Dva glavna naina rada mosta su kao nula detektor i kao ureaj kojim direktno itamo razliku u naponu ili struji. Most kod koga se menjaju samo dva otpornika zove se polumost, dok se kod punog mosta menjaju svi otpornici. Za veinu aplikacija pretvaraa koji koriste mostove, devijacija jednog ili vie otpornika u mostu, sa neke poetne vrednosti, mora se meriti kao indikacija merene veliine (ili promene). Slika 4.1.4 prikazuje most sa otpornicima jednakih nominalnih vrednosti, ali jedan od njih (R1) varira u zavisnosti od faktora (1+X), gde je X frakcionalna devijacija oko nule, kao funkcija (recimo) naprezanja.

Slika 4.1.4. Most sa promenljivim elementom samo u jednoj grani Osetljivost se moe udvostruiti ako se mogu koristiti dva identina varijabilna elementa, npr. na pozijama R3 i R1, kao to je prikazano na slici 4.1.5.

Slika 4.1.5. Most sa dva promenljiva elementa U posebnim sluajevima, moe se postii jo jedno dupliranje izlaza. Dva otpornika u suprotnim granama poveavala bi se u istom odnosu za koji se druga dva smanjivala (slika 4.1.6). Izlaz takvog mosta bio bi etiri puta vei od izlaza jednoelementskog mosta: tavie, komplementarna priroda promene otpora rezultovala bi u linearnom izlazu.

Slika 4.1.6. Most sa svim promenljivim elementima

49


Hardver za detekciju merenja izlaza moe da ima mnoge oblike. Ranije su mogli analogni mikrometri i ogledalo galvanometra da se razree ispod-mikrovoltske varijacije, dok se danas koriste sistemska reenja za formiranje signala zbog poveane brzine reakcije i snage sistema. Oni pokrivaju skalu od card opcija povezanih sa inteligentnim sistemima merenja i kontrole do pakovanih modula koji ukljuuju i adjustable pojaanje pojaavaa instrumenata, filtriranje buke i eksitacije. Strujno kolo jednostavnije konfiguracije, koje koristi jedan operacioni pojaava, prikazano je na slici 4.1.7.

Slika 4.1.7. Jedan operacioni pojaava kao mostni pojaava Iako operacioni pojaava odrava naponsku nulu preko mosta, struja nije na nuli. Spoljni otpori moraju biti paljivo odabrani i uklopljeni da bi se maksimizirao CMR (common mode rejection); neki idealni sluaj po svemu jednak, kao to je prikazano na slici, teko je sprovesti u praksu. Takoe, teko je preneti pojaanje (i dozvoliti podeavanje za maksimiziranje CMR) bez previsoke cene i problema. U zavisnosti od pojaanja nelinearnost moe biti dva puta vea u odnosu na most. Najrasprostranjeniji oblik pojaavaa za oitavanje izlaza mosta je instrumentacioni pojaava. On predstavlja commited gain block i karakterie se niskim driftom, visokim CMR, visokom ulaznom impedansom i sposobnou odravanja odreenih performansi za itav raspon pojaanja, tipino od 1 do 100 (slika 4.1.8). Pojaanje predstavlja funkciju odnosa dva otpora, koji nemaju konektore strujnih kola zajednike sa ulazima; pojaanje se moe podesiti podeavanjem ili prebacivanjem odnosa otpora. Neki ureaji zahtevaju da se oba otpornika veu spolja; neki zahtevaju samo jedan spoljni otpornik, a neki sadre sve neophodne otpornike za niz standardnih pojaanja i zahtevaju samo spoljno programiranje pomou umetka za spajanje prekidaa ili digitalne logike.

Slika 4.1.8. Diferencijalno-ulazna instrumentacija pojaavaa kod mernog mosta Kada je X nula, izlaz bi trebalo da bude nula. Ako je pojaava podeen na nuli izlaz e biti Vin=0; onda svaka greka u vezi sa Vin koja se javlja na izlazu poznata je kao common-mode-voltage error. Sposobnost kola pojaavaa da minimizira greku poznata je kao CMR, a koliina izraena logaritamski u decibelima. CMR je obino odreen na 60Hz sa 1k source imbalance. Instrumentacioni pojaava ima uravnoteen diferencijalni ulaz. Ovo znai da je napon na izlazu proporcinalan razlici na ulazu; a terminalni ulazi koji predstavljaju visoku impedansu za izvor ulaza su elektriki slini. Visoki CMR znai da je pojaava osetljiv samo na razliku napona na ulazu, ak iako se kolebaju u irokom rasponu i ako je razlika sasvim mala. Slika 4.1.9 prikazuje osnovnu konfiguraciju u kojoj izolacioni pojaava obezbeuje oitavanje za most. DC energija se konvertuje u visoko frekventnu AC i spree preko izolacine

50


barijere za ulaznu deonicu, gde se AC koriguje da obezbedi energiju za ulaznu fazu i za eksterno izolovanu mreu.

Slika 4.1.9. Tipina primena izolovanog mernog mosta Mostovski pojaavai Termin mostovski pojaava asocira na pojaava koji pojaava signal mernog mosta. Meutim,ovde se radi o konfiguraciji pojaavaa koji radi u spoju takozvanog kvazimosta, kao to e se videti preko odgovarajuih ema. Potreba za ovakvim pojaanjem nastaje iz injenice da se uobiajeni otporniki most ponaa kao nelinearno kolo za sluaj velikih iznosa neravnotee mosta. Zato je bilo potrebno koristiti konfiguraciju sa linearnim izlazom za promenu nominalne otpornosti senzora koja prelazi vrednost od 100%. Elektrina ema mostovskog pojaavaa prikazana je na slici 4.1.10, dok je izvor napona izveden kao na slici 4.1.11. Uinjeno je tako da bi se obezbedila vrlo mala izlazna otpornost izvora E.

Slika 4.1.10.

Slika 4.1.11.

Na slici 4.1.10 senzorski otpornik postavljen je u granu povratne sprege pojaavaa, a R1 je najee trimer. Uslov za ravnoteu mosta je R1R3=R2R4 Izlazni napon pojaavaa je

Vo = Vi

R1 R3 R2 R4 R3 ( R1 + R2 )

Izlazni napon je linearno srazmeran od promena otpornosti R4. Ukoliko se za kolo izaberu otpornici tako da je zadovoljen uslov R1=R2=R3=Ro, i R4=RodR onda se izlazni napon dobija kao linearna zavisnost od devijacije otpornosti dR:

Vo = Vi

dR 2R

Ova konfiguracija se naziva kvazimostom jer se moe prikazati kao na slici 4.1.12, prilagoeno konvencionalnom nainu prikazivanja mernih mostova. Nedostatak ove konfiguracije je da senzor nije nijednim krajem na masi i to se kroz senzor ne moe propustiti relativno vea struja, vea od struje pojaavaa.

51


Slika 4.1.12. Polumost sa operacionim pojaavaem

Slika 4.1.13. Polumost sa operacionim pojaavaem Ako je R1 ili R2 senzor ovo kolo se moze zvati polumost sa operacionim pojaavaem. Metodom superpozicije dobijamo izlazni napon

Vo = E

( R1 R2 ) R3 R1 R2

Ako je R1 senzor,tj. R1=R+R, a R2=R, onda je prethodni izraz

E=

R3 R / R R2 1 + R / R

Linearnost je mogua za R / R U1 , za bar deli milivolta. Operacioni pojaava na slici 4.3.7 ima pojaanje 10 5 ,

59


pozitivni napon napajanja ( Vcc ) od 15V i negativni napon napajanja(- Vcc Vcc ) od 0V. Naponi napajanja ograniavaju izlaz operacionog pojaavaa u sledei opseg: 0V U out (0.8)(15)V 0V U out 12V Grafik na slici 4.3.7 pokazuje izlazni napon u zavisnosti od razlike dva ulazna napona (U2 U1). Na grafiku se mogu uoiti sledee tri oblasti: 1) Oblast negativnog zasienja: (U2 U1 ) < 0V a) U2 je manji od U1 b) Uout = 0V c) Lampa je iskljuena 2) Linearna oblast: 0V (U2 U1 ) 0.12 mV a) U2 je za vrlo malu vrednost vei od U1 b) Uout se kree od 0V do 12V kako (U2 U1) raste c) Lampa e prei sa iskljuenog na ukljueni reim rada 3) Oblast pozitivnog zasienja (U2 U1) > 0.12mV a) U2 je vee od U1 za vie od 0.12 mV b) Uout =12V c) Lampa je ukljuena

Slika 4.3.7. Komparator signala Jedinini naponski pojaava Jedinini naponski pojaava (naponski ponavlja) je jo jedna primena operacionog pojaavaa. Izlazni napon je jednak ulaznom naponu. Sada bi logino pitanje bilo: Ako napon nije promenjen zato se ovo kolo koristi? Odgovor je: Iako napon ostaje isti impedansa se menja. Moemo sagledati promenu impedanse sa dve perspektive. Razmatramo korienje ili nekorienje jedininog naponskog pojaavaa izmeu primarnog senzorskog elementa i pojaavaa procesora signala. Ako se jedinini naponski pojaava ne koristi, primarni senzor "vidi" ulaznu impedansu pojaavaa. Ona moe biti 50 k. Kada se koristi jedinini naponski pojaava, primarni senzor "vidi" ulaznu impedansu pojaavaa koja moe biti 100M. Znai, efekat jedininog naponskog pojaavaa je da povea impedansu operacionog pojaavaa koju "vidi" primarni senzor. Vioj impedansi optereenja data je prednost zato to smanjuje izlaznu struju primarnog senzora, to smanjuje greke samozagrevanja i nelinearnosti izazvane visokim strujama. Sad emo istraiti drugu perspektivu. Pojaava takoe "vidi" impedansu kada gledamo prema primarnom elementu. Ako se jedinini naponski pojaava ne koristi, pojaava "vidi" Tevenenov ekvivalent primarnog elementa. To moe biti 1, 10 ili 100 k. Kada se jedinini naponski pojaava koristi, pojaava "vidi" izlaznu impedansu operacionog pojaavaa koja moe biti manja od 100. Kao to je visoka impedansa optereenja dobra za primarni element, niska impedansa izvora dobra je za pojaava. Prednost jedininog naponskog pojaavaa je to transformie impedansu u oba pravca. Jedinini naponski pojaava prikazan je na slici 4.3.8. Primeujemo da je izlazni prikljuak povezan sa invertujuim ulaznim prikljukom, pa vai U1=Uout. Takoe ulazni napon povezan je sa

60


neinvertujuim ulazom pa vai U2=Uul. Za idealni operacioni pojaava vai U1 = U2 iz ega sledi Uout=Uul.

Slika 4.3.8. Invertujui pojaava Invertujui pojaava menja znak i nivo ulaznog signala. On moe da povea, smanji ili ne promeni veliinu signala. Invertovanje zahteva da napon na neinvertujuem ulazu bude nula volti. Pojaanje invertujueg pojaavaa jednako je odnosu otpornosti vezane izmeu invertujueg ulaza i izlaznog prikljuka i otpornosti vezane izmeu ulaznog signala i invertujueg ulaza. Analizu ekvivalentnog kola invertujueg pojaavaa poeemo sa pretpostavkom da je napon U2 jednak nuli i da je struja kroz otpornik Rul jednaka struji kroz otpornik Rf. Tada primenjujemo Omov zakon kojim se struja zamenjuje odnosom pada napona i otpornosti.

U out =

Rf Rul

U ul

Izgled invertujueg pojaavaa prikazan je na slici 4.3.9.

Slika 4.3.9. Neinvertujui pojaava Kolo neinvertujueg pojaavaa moe poveati veliinu signala, ali je ne moe smanjiti. U izuzetnim sluajevima moe ostaviti veliinu signala nepromenjenu, ali to redukuje kolo na prosto kolo naponskog ponavljaa. Izgled neinvertujueg pojaavaa je prikazan na slici 4.3.10.

U out =

R1 + Rul U ul Rul

Slika 4.3.10. Kolo za sabiranje Pojaava za sabiranje sabira dva ili vie ulazna signala. Na slici 4.3.11 je prikazano kolo za pojaava za sabiranje sa dva ulaza.

61


U out =

Rf Ra

Ua

Rf Rb

Ub

Slika 4.3.11. Kolo za oduzimanje

V0 =

R1 + R3 R4 R V2 3 V1 R1 R2 + R4 R1

Slika 4.3.12. Integrator Kolo integratora proizvodi napon na izlazu koji je proporcionalan integralu ulaznog napona. Slika 4.3.13 prikazuje kolo integratora.

U out =

1 2 U ul (t )dt + U out (t1 ) Rul C t1

t

Slika 4.3.13. Diferencijator Kolo diferencijatora daje na izlazu napon koji je proporcionalan brzini promene ulaznog napona. Slika 4.3.14 prikazuje diferencijator.

U out = RC

dU ul dt

62


Slika 4.3.14. Strujni pojaava

Ai =

Rf I0 = 1+ Iu Rs

Slika 4.3.15. Strujno-naponski konvertor Dok neki pretvarai daju izlazni napon proporcionalan nekom fizikom parametru, mnogi od njih daju strujni izlaz. To su na primer foto-diode, neki temperaturni senzori kao i razne vrste biolokih sondi. Proizvedena struja je esto vrlo mala (reda nA). Uopteno obrada signala e biti potrebna pre nego to taj signal moe biti koristan ili merljiv sa odreenom tanou. Otpornikom moemo izvriti strujno-naponsku konverziju. Izlazni napon je onda jednak ulaznoj struji pomnoenoj sa povratnim otporom.

V0 = I u R f

AR =

V0 = R f Iu

Slika 4.3.16.

63


Konvertor napona u struju Prenos naponskih signala u industrijskim uslovima stvara mnoge probleme. Serijska otpornost izmeu procesora signala i optereenja RL zavisi od rastojanja, vrste ice, temperature i naina spajanja - povezivanja. Pad napona od nekoliko mV na serijskim otpornostima moe nainiti znaajnu greku u merenju. Kod konverzije napona u struju i prenosa strujnih signala, problem prenosnih puteva nije od uticaja, jer je struja ista u celom kolu. Otpornost vodova i loi spojevi sa razliitim prelaznim otpornostima ne utiu na gubitak signala. Koji tip konverzije napon-struja e se koristiti zavisi od otpornosti optereenja RL kao i od toga da li je optereenje plivajue ili uzemljeno. U mnogim sluajevima je pogodno koristiti plivajue optereenje. Time se omoguava primena tehnike diferencijalnih pojaavaa i potiskivanja neeljenih signala nastalih indukcijom u toku prenosa. Konvertor sa plivajuim optereenjem je prikazan na slici 4.3.17.

I0 =

Vu Rs

Slika 4.3.17. Pojaavai koliine elektriciteta Ovi pojaavai se koriste kod onih mernih pretvaraa koji su piezo ili kapacitivni senzori. Na slici 4.3.18 prikazan je pojaava koliine elektriciteta.

V0 =

E C Q = CF CF

Slika 4.3.18. Diferencijalni pojaavai Diferencijalni pojaava je kolo koje pojaava razliku dva signala na ulazu (dva napona) pri emu ni jedan od njih nije jednak nuli. On pojaava razliku tako da eliminie sve zajednike signale superponirane malom korisnom signalu.

64


Slika 4.3.19. Dijagram kola diferencijalnog pojaavaa Za izvoenje jednaine diferencijalnog pojaavaa polazimo od toga da je V+=V- i Kako je:

R2 R4 = =m R1 R 3

R4 R4 m V+= V 2 = R3 V 2 = V2 R4 1+ m R3 + R4 1+ R3 R2 1 1 m = R1 V 1 + V0 = V1 + V0 R2 R2 1+ m 1+ m 1+ 1+ R1 R1dobijamo da je V+=V-

V-=

R2 R1 V1 + V0= R1 + R 2 R1 + R 2

m m 1 V2 = V1 + V0 1+ m 1+ m 1+ m

mV2=mV1+V0 V0=m(V2-V1)

Poslednji izraz opisuje diferencijalni pojaava u linearnoj oblasti rada i kazuje nam da on pojaava samo napon na ulaznim krajevima, dok sve druge signale treba da potisne. to se tie signala smetnje on se javlja usled uzemljenja, nije konstantan jer sadri i sve ostale elemente.

Slika 4.3.20. Prikaz signala smetnje Uzemljenje treba vriti fiziki u istoj taki. Faktor potiskivanja srednje vrednosti signala, izraen u dB, i daje se kao: CMRR=20 log

Faktor potiskivanja obino ima vrednost 120 160dB.

DIFERENCIJALNO POJACANJE COMMON MODE POJACANJE AD CMRR=20log AC

65


Cilj nam je dakle da pojaanje AC bude to manje i da praktino AC 0, a AD bude to vee. Instrumentacioni pojaavai Instrumentacioni pojaava (IP) je u sutini precizni diferencijalni pojaava koji se koristi kada je teko odrediti signal. Njegove osnovne karakteristike su: 1. Velika ulazna impedansa - minimizira ulaznu struju (sa ulaznih prikljuaka) tako da se smanjuje samozagrevanje pojaavaa, 2. Mala struja curenja, 3. Veliko potiskivanje srednje vrednosti signala (zajednikog moda), 4. Izbalansirani (simetrini) diferencijalni ulazi, 5. Stabilne dobre karakreristike, 6. Pojaanje odreeno izborom spoljanje otpornosti (od strane korisnika), parom otpornika ili povezivanje sa pinom (unutranje) i 7. Nesimetrini izlaz. Sa ciljem da se obezbede eljene osobine, sve komponente sem spoljanje otpornosti su unutar kuita instrumentacionog pojaavaa. Karakteristike instrumentacionog pojaavaa su opisane njegovim specifikacijama. Neke specifikacije su samo za odreene tipove i nisu zajednike za sve IP-e. Druge su veoma bitne kada se zahteva precizno pojaanje u realnim uslovima. Jednaina pojaanja: Pojaanje IP-a je odreeno povezivanjem pina sa internim otpornicima ili spoljnim otpornicima. Specifikacija odnosa izmeu eljenog pojaanja i pojaanja IP-a zove se jednaina pojaanja. Opseg pojaanja: Ova specifikacija opisuje opseg pojaanja koji proizvoa propisuje za propisan rad. IP moe zaista raditi sa manjim ili veim pojaanjem, ali proizvoa ne garantuje neki specifini nivo performanse. U praksi manje pojaanje moe smanjiti stabilnost dok vee pojaanje pojaava nivo uma i drifta. Tehnike projektovanja: Instrumentacioni pojaavai se baziraju na IC operacionim pojaavaima. Konfiguracija prikazana na slici 4.3.21 ima jedinine pojaavae, ulazna impedansa Zul je oko 1010, a njen glavni nedostatak je nemogunost podeavanja pojaanja.

Slika 4.3.21. U cilju eleminisanja prethodnog nedostatka pribeglo se sledeoj emi:

66


E E2 I= 1 aRVo=

Slika 4.3.22.

E1 E 2 2 aR(1 + ) aR a 2 Vo=(E1-E2)(1+ ) a

Vo=VA-VB=(2R+aR)I

Ovde imamo mogunost da promenom a menjamo pojaanje. Meutim, uzemljenje nije pravilno reeno pa se ovo kolo modifikuje u:

Slika 4.3.23. Ovde smo dobili sve ono to nam je potrebno: veliko Zul, mogunost podeavanja pojaanja kao i to da je optereenje rednim krajem vezano na masu. Ovakav pojaava se izrauje u integrisanoj tehnici i oznaava se kao na slici 4.3.24.

Vo=(1+ Slika 4.3.24.

2 )(e2-e1) a

Izolacioni pojaavai Industrijski uslovi rada postavljaju veoma sloene probleme projektovanja mernoinformacionih sistema. Osnovne dileme su kako preneti male nivoe signala sa izlaza senzora ili mernih

67


pretvaraa do elektronskih blokova za obradu signala, a u prisustvu jakih elektromagnetskih smetnji nastalih pri radu snanih relea i prekidaa, elektromotora, indukcionih pei i drugih industrijskih maina i ureaja. Pored toga, signali iz senzora i mernih pretvaraa gube energiju prostiranjem kroz dugake vodove, budui da se gotovo po pravilu obrada signala vri u kontrolnom ili komandnom centru, koji se nalazi udaljen od ostale merne opreme. esto puta se i izvori za napajanje nalaze u kontrolnom centru, pa se pojavljuju znatne potencijalne razlike izmeu uzemljenja na mestu merenja parametara procesa i uzemljenja kontrolnog centra. Razumljivo je, takoe, da u uslovima rada sa industrijskim naponima (reda 380V do nekoliko KV) uvek postoji mogunost direkne veze mernog pretvaraa sa energetskim vodom ime se ugroavaju ivoti ljudi, a takoe i merna oprema. Ova mogunost slikovito je prikazana na sledei nain:

Slika 4.3.25. U procesu, dakle, moe da se desi da na senzor doe visok napon (npr. 220V, 380V, 500V, 1000V, 1.5KV, 2.5KV) i na taj nain doe do havarije (koje ipak nisu toliko este). Osim toga, taka gde se uzemljuje senzor i taka gde se uzemljuje pojaava nisu iste i izmeu njih postoji otpor, mali ali konaan, na kome se stvara napon koji moe da dovede do zasienja pojaavaa ili do pregorevanja ulaznih kola. Zbog toga se umesto pojaavaa A stavlja izolacioni pojaava:

Slika 4.3.26. Potrebna izolaciona karakteristika moe se ostvariti na vie naina, korienjem metode leteeg kondenzatora, transformatorske izolacije i optoelektronske izolacije. Izolacioni pojaava se u merno-informacionim sistemima koristi kao operacioni pojaava koji jo i ima osobinu galvanskog razdvajanja ulaza od izlaza. Elementi povratne sprege biraju se tako da se ostvaruju funkcije kao i kod konvencionalnog operacionog pojaavaa, odnosno sabiraa, naponskog pojaavaa, logaritamskog pojaavaa, integratora, i dr. Prenos signala kroz izolacioni pojaava moe se ostvarivati na vie naina, ali svuda se pojavljuje svojstvena nelinearnost. Za potrebe precizne instrumentacije, nelinearnost prenosa signala se umanjuje uvoenjem negativne povratne sprege ili tehnike modulacije. Nelinearna karakteristika kola za spregu izobliava amplitudu, ali ne i frekvenciju, tako da se koristi frekventna ili impulsno-irinska modulacija. Osnovna funkcionalna ema izolacionog pojaavaa prikazana je na slici 4.3.27. Izlazni signal iz operacionog pojaavaa A je modulisan, prenet preko izolacione barijere izoliranim kolom za spregu, a zatim demodulisan i doveden na izlaz sa novom potencijalnom referencom (uzemljenjem). Raunske operacije nad ulaznim signalom izvrene su na ulaznoj strani. Iako je kolo za spregu izvedeno kao transformator, mogu se primeniti i druge sprege, na primer, optoizolatorska, kao i druge komponente: fotootpornici, magnetootpornici, Holovi elementi, kola za termalnu spregu i sl.

68


Slika 4.3.27. Transformatorski izolacioni pojaava Transformatorski izolacioni pojaavai su specijalno konstruisani pojaavai kod kojih ne postoji galvanska veza ulaza sa izlazom, ni sa izvorom za napajanje, pa se ta veza ostvaruje elektromagnetnom spregom. U tu svrhu se koriste visokofrekventni transformatori, koji su malih dimenzija, to smanjuje parazitne kapacitivnosti izmeu primarnog i sekundarnog namotaja, a time i kapacitivnu spregu. Na niim frekvencijama jedina postojea veza je kapacitivna budui da je vrednost izolacione impedanse reda 1012 || 10 pF. Na slici 4.3.28 je simbolino prikazano oznaavanje bloka izolacionog pojaavaa, gde su istovremeno date i tipine vrednosti parazitnih kapacitivnosti i maksimalno dozvoljene vrednosti napona izmeu pojedinih sekcija.

Slika 4.3.28. Zbog vrlo velike impedanse izmeu ulaza pojaavaa i mase, tim se pojaavaem mogu ostvariti faktori potiskivanja reda ak 160 dB za signal mree od 50 Hz, a zbog male kapacitivnosti i vodljivosti izmeu ulaznih prikljuaka i zemlje, teku male struje, reda A, kada se izmeu ulaznih prikljunica i zemlje prikljui napon od 220V frekvencije 50 Hz. To je vrlo vano za primenu ovih pojaavaa u elektromedicinskim ureajima. Vrlo dobra izolacija izmeu ulaznih i izlaznih krajeva, a takoe prema zemlji omoguava ovom pojaavau da izdri napon 4 KVef ili u impulsima do 8KV. Oni se obino prave kao hibridna kola tj. imaju i diskretne i integrisane komponente. Tipina funkcionalna blok ema transformatorskog izolacionog pojaavaa prikazana je na slici 4.3.29. Ulazni signal se pojaava u instrumentacionom pojaavau i tako pojaani napon fazno modulie signal visoke frekvencije (100 KHz), dobijen iz osnovnog oscilatora koji osciluje na svojoj radnoj frekvenciji od 100 KHz. Modulisani signal prenosi se elektromagnetskom spregom preko izolacione barijere u izlazni deo izolacionog pojaavaa do faznog demodulatora koji za demodulaciju koristi signal osnovnog oscilatora kao referencu. Posle demodulacije se vii harmonici nastali u ovom procesu filtriraju u nisko frekventnom filtru. Kod nekih izvoenja ostavljene su mogunosti promena komponenata filtra preko spoljanjih prikljuaka radi podeavanja propusnog opsega izolacionog

69


pojaavaa. Izlazni signal se dobija preko izlaznog pojaavaa, ime se ostavlja mogunost podeavanja izlaznog nivoa i impedanse. Napajanje pojaavaa, modulatora i demodulatora vri se ispravljenim naponom oscilatora na ulaznoj i izlaznoj strani izolacionog pojaavaa, metodom DC/DC konverzije. Transformator T1 je feritni (ima male dimenzije) i slui za izolaciju korisnog signala, dok transformator T2 slui za izolaciju napajanja. Pri obradi signala izolacionim pojaavaem unose se greke koje su posledica delovanja vie inilaca, od kojih su najvaniji sledei: nelinearnost prenosne karakteristike, nestabilnost koeficijenta pojaanja, termiki ofset i drift (greka usled netanog reprodukovanja jednosmernog nivoa ulaznog signala), ogranien frekventni opseg, Greke nelinearnosti prenosne karakteristike izolacionog pojaavaa uglavnom je posledica rada sistema modulator-demodulator zbog primene nelinearnih elemenata. Nestabilnost koeficijenata pojaanja je najveim delom povezano sa starenjem elemenata i karakteristikama transformatora. Ogranien frekventni opseg je posledica primene metode modulacije, a direktno zavisi od osnovne frekvencije oscilatora i primenjenih operacionih pojaavaa i modulatora demodulatora.

Slika 4.3.29. Optoelektronski izolacioni pojaavai Optoelektronski izolacioni pojaavai spregu izmeu ulaza i izlaza ostvaruju optikim putem. Osnovni deo opto-kapler nalazi se u staklenom kuitu. Ulazni pojaava najee pobuuje svetleu diodu (LED), koja promene napona, odnosno struje, pretvara u promenu svetlosti. Svetlost se prenosi kroz izolacionu barijeru do fototranzistora, gde se promene intenziteta svetlosti pretvaraju u odgovarajue promene struje, odnosno napona. Na taj nain se moe ostvariti jo bolja izolacija (1012 pF) i isto tako dobar koeficijent potiskivanja (120160 dB) kao kod transformatora sprege. Meutim, ovde postoje vea nelinearna izoblienja oko (0.5%), vei temperaturni ofset nule i mnogo vei um. um uglavnom potie usled nejednake emisije svetlosti LED diode, zbog ega se optoelektronski izolacioni pojaava primenjuje za velike signale, gde um manje dolazi do izraaja. Optoizolatori se izvode kao kombinacija LED diode i fototranzistora, ili LED diode i fotodiode, zajedno sa integrisanim pojaavaem, pri emu ova poslednja sprega u principu omoguava postizanje ireg frekventnog opsega. Jeftiniji su u odnosu na transformatorske izolacione pojaavae. Na slici

70


4.3.30 je prikazana jednostavna konfiguracija koja se moe primeniti za prenos digitalnog signala, a takoe i analognog, ako se primeni postupak impulsno-frekventne ili impulsno-irinske modulacije, jer zbog velike nelinearnosti i temperaturne nestabilnosti optoizolatora ovaj prenos direktnim putem nije mogue izvriti.

Slika 4.3.30. Ako je izlazni fototranzistor pobuen u svom aktivnom radnom podruju, strujna prenosna funkcija moe se izraziti kao: ic=k(i0/id)n gde je ic -kolektorska stuja, id - ulazna struja LED diode, a id je struja diode pri kojoj je odreena vrednost konstante K. Eksponent n varira sa veliinom struje id, ali se u odreenom opsegu struje id moe smatrati konstantom koja uzima vrednost u opsegu n=12, aproksimativno. Poveanje temperaturne stabilnosti i smanjenje nelinearnih izoblienja moe se postii primenom jake negativne reakcije, korienjem diferencijalnih pojaavaa i primenom digitalne tehnike obrade signala. Tehnika digitalne konverzije Izoliranje izvora analognih signala moe se izvriti i postupkom analogno/digitalne konverzije signala, prenosom digitalnog signala preko optoizolatora, a zatim rekonstrukcijom poetnog signala preko digitalno/analogne konverzije. Digitalni signal se prenosi preko optoizolatora u paralelnom ili serijskom formatu, to zavisi od naina A/D konverzije. Ukoliko je signal dat kao paralelni, prevodi se u serijski pomou pomerakog registra i velikom brzinom prenosi kroz optoizolator. Ovakav postupak je ekonomian, pogotovu kod viekanalnih mernih sistema, kada se signali multiplekserom dovode na jedan A/D konvertor i jedan izolacioni stepen.

Slika 4.3.31. Tehnika impulsno-irinske modulacije Na slici 4.3.32 prikazana je metoda impulsno-irinske modulacije koja se koristi pri optoelektronskoj izolaciji izvora analognog signala. Oscilator radi na stabilnoj frekvenciji f0, koja je taktna frekvencija za kolo monostabilnog multivibratora. irina impulsa multivibratora modulie se promenom njegove vremenske konstante t ulaznim naponom u1 prema relaciji t=ku1, gde je k-

71


odgovarajua konstanta. Digitalni signal se jednostavno prenosi preko optoizolatora, a zatim se integracijom i filtriranjem viih harmonika rekonstruie originalni ulazni signal, kao to se vidi na dijagramu talasnih oblika napona u pojedinim takama kola.

Slika 4.3.32.

Ostale vrste izolacionih pojaavaa Blok ema izolacionog pojaavaa sa leteim kondenzatorom je prikazana na slici 4.3.33.

Slika 4.3.33. Krajevi izlaza su uvek galvanski odvojeni od ulaza. Prekidai su obino relei. Ova metoda je spora i ne koristi se. Izolacioni pojaava sa kapacitivnom izolacijom bi mogao da bude kao na slici 4.3.34.

72


Slika 4.3.34. VCO je naponom kontrolisani oscilator (pretvara napon u frekvenciju). Kondenzatori se izrauju tako to se na supstratu napare tanke niti. Ovi izolacioni pojaavai imaju dobar odnos signal/um, nelinearnost im je 0.002%, propusni opseg oko 70 kHz i malih su dimenzija. Linearizacija funkcije prenosa senzora Po pravilu senzori imaju nelinearnu statiku karakteristiku prenosa, premda linearnost moe biti zadovoljavajua, posebno ako se posmatra uzan opseg merene veliine. Linearan senzor bi imao linearnu vezu merene veliine na ulazu i rezultata na izlazu. Ako se posmatra sluaj temperaturnog senzora kod koga je napon na izlazu VT definisan preko: VT=V1T+V2T2+V3T3 (4.3.1) da bi temperatura bila ispravno oitana potrebno je koristiti merni instrument sa nelinearnom skalom koja mora odgovarati nelinearnoj funkciji senzora predstavljenoj jednainom (4.3.1). Meutim, veina mernih instrumenata, a posebno digitalni su linearni, te je za postizanje zahtevane tanosti neophodno izvriti linearizaciju statike karakteristike prenosa senzora. Zahtev da rezultat merenja pokazuje linearnu zavisnost ima optu vrednost, s obzirom da se kompletna obrada signala i prikaz vre u sistemima koji su po pravilu linearni. Linearizacija analognim kolima Linearizaciju statike karakteristike prenosa senzora mogue je vriti: modifikovanjem kola senzora, ili obradom analognog signala iz senzora pogodnim kolima. Napon na izlazu senzora Us moe se, u optem sluaju, predstaviti kao nelinearna funkcija merene veliine x: Us=f(x) Linearizacija napona Us moe se ostvariti uz pomo pojaavaa ija je funkcija prenosa takoe nelinearna, tj.

U P = kf1 (U S ) = kf1 ( f ( x ))

Poznato je da e napon Up linearno zavisiti od x ako je f1(US) inverzna funkcija funkcije f(x), odnosno

f1 (U S ) = kf 1 (x ) . Izloeni princip linearizacije prikazan je na slici 4.3.36.

Slika 4.3.36. Ilustracija principa linearizacije Jedna metoda linearizacije statike karakteristike prenosa senzora bazira se na fitovanju funkcije prenosa korienjem taaka koje predstavljaju vrednosti fizike veliine na ulazu senzora i izmerene elektrine veliine na izlazu. Relacija izmeu nezavisne ulazne veliine i zavisne izlazne promenljive, utvrena empirijski, najee je predstavljena tabelarno ili je data u obliku dijagrama. Za

73


dobijanje linearne izlazne veliine potrebno je primeniti odgovarajuu linearizacionu funkciju imajui u vidu karakteristiku senzora. Za linearizaciju karakteristike prenosa senzora koriste se linearizacione funkcije kao to su 1/x, xm, logx i polinomi, kao na pr. Ax+Bx2. Ako se kao linearizaciona funkcija koristi polinom drugog stepena, izraunavanjem koeficijenta A i B dolazi se do jednaine koju je mogue realizovati bilo softverski ili korienjem analognih kola. Digitalna linearizacija Kada se obrada signala vri u digitalnom domenu, racionalno je izvriti linearizaciju statike karakteristike prenosa senzora u digitalnom domenu. U tu svrhu primenjuje se jedna od sledee dve metode: linearizacija preko tabele pretraivanja (look-up table), ili linearizacija pomou raunarskog algoritma Linearizacija preko tabele pretraivanja: Za linearizaciju napona na izlazu senzora preko tabele pretraivanja potrebno je eksperimentalno snimiti statiku karakteristiku prenosa senzora u eljenom mernom intervalu. Dobijeni podaci smetaju se u vidu tabele u ROM ili EPROM memoriju. Digitalni ekvivalent nelinearnog signala iz senzora dobijen pomou A/D konvertora koristi se kao adresa lokacije ROM odnosno EPROM memorije u koju je predhodno upisana linearizovana vrednost signala. Umesto linearizovane vrednosti signala u tabelu mogu biti upisane vrednosti korekcije nelinearnosti. Pri tome, mogu se razlikovati dva sluaja. Prvi sluaj odnosi se na upis potpune tabele podataka koja sadri onoliko linearizovanih vrednosti signala koliki je broj nivoa kvantizacije A/D konvertora. Ako je n broj bita ili rezolucija A/D konvertora, onda tabela treba da sadri 2n vrednosti. Ovaj nain linearizacije zahteva korienje memorije relativno velikog kapaciteta. Na primer, ako se vri linearizacija termopara koji se koristi za merenje temperature u opsegu od 0 do 1000 C sa rezolucijom 0.1C, u memoriju je potrebno uneti 10.000 dvobajtnih podataka. U drugom sluaju tabela pretraivanja je nepotpuna i u nju se unosi relativno mali broj vrednosti. Linearizovana vrednost neelektrine veliine koja se nalazi izmeu dve susedne vrednosti u nepotpunoj tabeli dobija se interpolacijom, najee linearnom. Na primer, ako je napon na izlazu senzora Ui

Documents

Cetvrta Glava_Povezivanje Senzora i Pretvaraca