Stad.final

1

ELEMENTELE COMPONENTE

TIPICE ALE TRADUCTOARELOR

1. Elementele sensibile ale traductoarelor electronice

Elementele sensibile permit detectarea mărimilor măsurate, adică fac legătura cu procesul.

În consecinţă, acestea constituie partea cea mai diversificată a traductoarelor.

Numărul / varietatea mărimilor fizice care intervin în procesele automatizate este foarte

mare → o multitudine de tipuri de elemente sensibile.

Totusi se pot grupa elementele sensibile dupa două criterii, suficiente pentru atingerea

scopului urmărit:

a) După principiul conversiei mărimii fizice x(t) aplicate la intrare în semnal electric:

- elemente sensibile parametrice;

- elemente sensibile generatoare.

b) După natura mărimii de măsurat, se disting tipuri ce poartă denumirea domeniului de

aplicaţie, cum ar fi:

- elemente sensibile mecanice - pentru deplasări, viteze, forţe, cupluri;

- elemente sensibile termice - pentru temperaturi, debite

- elemente sensibile chimice - pentru pH, Redox, concentraţie, umiditate

- elemente sensibile electrice - pentru curenţi, tensiuni, putere activă, putere reactivă etc.

2

Elementele sensibile ale traductoarelor electronice

Clasificarea a) - importantă pentru evidenţierea fenomenelor fizice care stau la baza conversiei

mărimii de măsurat într-un anumit tip de mărime electrică, aceasta conducând la alegerea

corespunzătoare a circuitelor de intrare şi chiar a structurii adaptorului.

Clasificarea b) - evidenţiază aspectele concrete de utilizare a traductoarelor, în special cele

legate de performanţe, respectiv alegerea elementului sensibil adecvat unei aplicaţii date.

Ca o caracterizare generală - pentru clasificarea a) - putem spune că:

● elementele sensibile parametrice (denumite şi pasive sau modulatoare) convertesc variaţia

mărimii de intrare (parametrul de proces) x în variaţia unui parametru de circuit electric (de

exemplu R, L, C). În consecinţă, au nevoie de energie externă de activare (de unde şi

denumirea de elemente sensibile pasive). Aşadar:

CLRxCLRx ,,,,● elementele sensibile generatoare - numite şi active - sunt folosite pentru preluarea mărimilor

active (acele mărimi care au o putere asociată din care o parte - mică - poate fi folosită în

procesul de conversie); → elementele sensibile active generează un curent, o tensiune sau o

sarcină electrică. Aşadar:

QUIxQUIx ,,,,

3

Elemente sensibile parametrice

Vom exemplifica - în continuare - cele mai întâlnite situaţii de elemente sensibile parametrice

din construcţia traductoarelor.

♦ Considerându-se un conductor omogen, rezistenţa sa electrică este

S

lR

Variaţia de rezistenţă ΔR poate fi obţinută pe baza variaţiei uneia din cele trei mărimi care dau

expresia rezistenţei R, adică

.)(;)(;)( RxSRxlRx

Exemple: în construcţia traductoarelor rezistive de deplasare - liniară sau unghiulară - se

foloseşte proprietatea Δl(x) → ΔR, la fel şi în cazul traductoarelor rezistive de nivel, în timp

ce la traductoarele de forţă cu mărci tensometrice se folosesc toate cele trei modalităţi de

variaţie.

Foarte întâlnite - variantele de traductoare rezistive bazate pe variaţia rezistivităţii

(termorezistenţe, termistoare - sub acţiunea temperaturii, fotorezistenţe, fototranzistoare, în

general fotoelemente - sub acţiunea radiaţiilor luminoase, umidometre, concentraţii - sub

acţiunea unor procese chimice).

4


Exemplificări:

- la o termorezistenţă relaţia de funcţionare este:

...13

0

2

000 RR

Variaţia rezistenţei Rθ cu temperatura mediului θ în care se face măsurarea se realizează

datorită modificărilor de rezistivitate care au loc în firul conductor din care este construită

termorezistenţa.

- la o diodă semiconductoare dependenţa este:

(*)10

kT

qU

D

D

eII Dacă ID = ct atunci: 0

0lnI

II

q

kTU D

D

Dependenţa (*) se explică prin modificările de concentraţie a purtătorilor prin joncţiunea

diodei în funcţie de temperatură, adică - în esenţă - are loc, de asemenea, o variaţie de

rezistivitate.

5


♦ În cazul unei bobine cilindrice - cu lungime mare şi diametru mic - inductivitatea proprie

este dată de relaţia:

n

k kr

kn

k kk

k

S

l

N

S

l

NL

k1 0

2

1

2

.)(;)(;)( LxLxSLxlkrkk

astfel de variante întâlnindu-se la traductoarele inductive de deplasare cu întrefier variabil sau

cu miez mobil.

♦ La un condensator plan capacitatea electrică este dată de relaţia:

d

S

d

SC r

0 CxdCxSCxr )(;)(;)(

astfel de variante întâlnindu-se la traductoarele capacitive de deplasare, presiune, nivel,

altitudine etc.

Sunt situaţii în care elementul sensibil nu se poate cupla direct la variabila de proces x, în aceste

cazuri folosindu-se un circuit modulator sau un corp de probă.

6


A. La măsurarea turaţiei cu ajutorul unui fotoelement

(fotodiodă, fototranzistor) se foloseşte un dispozitiv modulator

alcătuit dintr-un disc prevăzut cu orificii echidistante (pe

circumferinţă), de o parte fiind poziţionată o sursă luminoasă,

iar de cealaltă fotoelementul (figura).

Pentru o rotaţie completă a discului, la ieşirea fotoelementului se obţin k impulsuri (numărul

de orificii de pe disc), astfel că frecvenţa de rotaţie va fi:

k

fn

]Hz[60min]/rot[

unde f este frecvenţa impulsurilor obţinute la ieşirea

fotoelementului.

B. La măsurarea forţelor cu ajutorul

unei mărci tensometrice - fig.3.2 - se

foloseşte un corp de probă CP pe care

se lipeşte marca tensometrică MT.

7

Elemente sensibile generatoare

Aceste elemente sensibile sunt specifice mărimilor active → pentru preluarea lor nu mai sunt

necesare surse auxiliare de energie.

Sub acţiunea mărimii de intrare elementul sensibil generează un curent, o tensiune sau o

sarcină electrică - depinzând de intrare - care ar putea fi folosite, ca atare, drept semnale de

ieşire din traductor.

Aceste semnale, fie sunt de valori absolute mici, fie provin de la surse cu impedanţe interne

mari, astfel că este necesară conversia lor în semnal calibrat de ieşire cu ajutorul unor

adaptoare; chiar şi circuitele de intrare sunt realizate cu elemente active - alimentate cu

energie auxiliară - pentru a preveni efectul de retroacţiune către mărimea măsurată.

Legea inducţiei electromagnetice - generarea - prin inducţie - a unei tensiuni sub acţiunea

mărimii de măsurat:

Funcţionarea elementelor sensibile generatoare se bazează pe o serie de legi fizice sau efecte

fizice, cum ar fi:

t

tNte

d

)(d)(

N este numărul de spire al bobinei străbătută de fluxul variabil φ(t).

8


)(4

veB

DQv

Exemplu: La traductoarele electromagnetice de debit,

la care lichidul curge perpendicular faţă de direcţia de

aplicare a inducţiei (fluxului) – figura…. - rezultă:

S

QvvlBe v cu

Efectul termoelectric (efect Seebeck) - generarea

unei tensiuni termoelectromotoare (t.t.e.m.) de

contact între două metale diferite (termocuplul TC

din figura…..):

)θθ(.... 0 TCkmett

Efectul piezoelectric - constă în aceea că materiale

anizotrope (de exemplu cuarţul) supuse la compresiune

(forţă, presiune) se încarcă spontan cu o sarcină

electrică.

9


Efectul piroelectric - se manifestă la anumite substanţe de sinteză (artificiale) care - supuse

la variaţii de temperatură - se încarcă spontan cu sarcini electrice

Efectul Hall - manifestat la anumite semiconductoare, care, în prezenţa unui câmp electric,

generează o tensiune de ieşire dependentă de inducţia electromagnetică a câmpului B

Efectul fotovoltaic - se manifestă la anumite dispozitive semiconductoare, la care - dacă

joncţiunea p-n este iluminată din exterior (efect fotovoltaic extern) - are loc o deplasare a

purtătorilor de sarcină, deci se generează un curent electric

Efectul electrochimic - se manifestă prin generarea unei t.e.m. între doi electrozi plasaţi în

soluţii cu concentraţii de ioni diferite (traductoare de pH, Redox, potenţial de electrod).

Concluzie: Elementele sensibile de tip generator necesită - în aparenţă - structuri mai simple

de adaptoare (nu mai este necesară conversia variaţiei unui parametru de circuit electric în

variaţie de semnal electric). Totuşi, efectele anterior menţionate produc semnale electrice

slabe (de mică amplitudine), sursele echivalente care le generează au impedanţe interne

mari, astfel că se impun amplificatoare de intrare cu impedanţe foarte mari, ecranări speciale

etc.

10

SOLUŢII DE ACHIZIŢIE/DISTRIBUŢIE A

DATELOR DE LA/CĂTRE PROCES

La sistemele ierarhice de conducere - nivelul de

proces cu traductoare/senzori analogice(i) - se

folosesc interfeţe de conversie şi comandă ICC

(acestea conţin - în structura lor - un convertor

analog-numeric CAN şi o interfaţă de

comunicaţie IC).

Comenzile elaborate în cadrul nodului local de

conducere / calculatorului de proces trebuie

transmise către dispozitivele de acţionare DA.

Principial, cele două elemente analogice din

structura unei instalaţii automatizate pot fi

conectate prin ICC ca în figura a (comentarii)

Când se pune problema achiziţiei/distribuţiei

pentru mai multe TA/DA, amplasate local la

distanţe mici, se folosesc configuraţii de

achiziţie/distribuţie a datelor care au - principial

- structura din figura b (comentarii)

11

Sisteme de achiziţie de date (SAD)

Pentru stocare, vizualizare şi prelucrare, datele analogice sunt achiziţionate sub formă

numerică; se utilizează sisteme de achiziţie de date (SAD) a căror parte esenţială este

convertorul analog-numeric CAN + circuite de condiţionare a semnalelor de intrare,

multiplexoare analogice sau numerice, dispozitive de eşantionare cu reţinere, registre

temporare de memorare a informaţiei numerice convertite, precum şi un bloc de comandă care

să asigure sincronizat efectuarea operaţiilor interne din cadrul unui SAD.

Performanţele unui SAD sunt date de:

- rezoluţia şi precizia cu care se realizează conversia A/N;

- numărul canalelor analogice investigate (servite);

- frecvenţa de eşantionare pe fiecare canal;

- cadenţa de transfer prin SAD, adică numărul maxim de eşantioane convertite care se obţin

la ieşire în unitatea de timp (indiferent de canalul de pe care provin);

- facilităţile oferite de condiţionare a semnalului de intrare;

- costul SAD-ului.

Clasificarea SAD-urilor poate fi făcută după următoarele criterii:

12


a) în funcţie de condiţiile mediului în care lucrează:

-SAD-uri pentru medii de laborator (condiţii favorabile);

- SAD-uri pentru medii cu condiţii grele (echipamente militare, instalaţii telecomandate,

procese industriale);

b) în funcţie de numărul de canale analogice investigate (monitorizate):

- SAD-uri cu un singur canal;

- SAD-uri cu mai multe canale.

SAD-urile multicanal pot fi:

- cu multiplexarea numerică a ieşirilor din CAN-uri, fiecare CAN corespunzând unui canal;

- cu multiplexarea analogică a ieşirilor din dispozitivul de eşantionare şi reţinere (DER), la

fiecare canal analogic corespunzând un DER;

- cu multiplexarea analogică a semnalelor de intrare de nivel mare şi un singur DER;

- cu multiplexarea analogică a semnalelor de intrare de nivel scăzut şi amplificator

programabil (AFAP) + DER

c) din punct de vedere constructiv, ţinând seama de posibilităţile locale existente la un

proces care urmează a fi supravegheat şi/sau condus cu un calculator, se disting:

13


- SAD-uri tip concentrator de date - denumit şi dispozitiv secundar compact - în care se

stochează date sub formă numerică de la mărimi de proces aferente unei zone (arii) de

răspândire spaţială, fiecare concentrator fiind conectat la postul central (dispecer) prin

intermediul unei magistrale de câmp;

- SAD-uri de tip placă multifuncţională de intrări/ieşiri analogice şi numerice compatibilă cu

magistrala de PC (plug in);

- SAD-uri de tip modul multifuncţional pentru intrări/ieşiri analogice şi numerice, organizat

în jurul unui microcontroller, cu alimentare proprie şi comunicaţie la distanţă prin magistrală

multipunct (tip RS-485) – stand alone;

- SAD-uri de tip terminal inteligent (traductor / element de acţionare inteligent) destinat unei

singure mărimi de intrare/comandă, care lucrează printr-o interfaţă serială multipunct cu un

PC (post dispecer);

-SAD-uri de tip aparate/instrumente programabile cuplate între ele prin interfaţă paralelă,

gestionarea interfeţei fiind asigurată de un controller de sistem.

NOTA: Structurile de SAD-uri de tip stand alone se realizeaza – in prezent – si in versiune

wireless (de exemplu WiFi).


14

Pentru stocare, vizualizare şi prelucrare, datele analogice sunt achiziţionate sub formă

numerică; se utilizează sisteme de achiziţie de date (SAD) a căror parte esenţială este

convertorul analog-numeric CAN + circuite de condiţionare a semnalelor de intrare,

multiplexoare analogice sau numerice, dispozitive de eşantionare cu reţinere, registre

temporare de memorare a informaţiei numerice convertite, precum şi un bloc de comandă care

să asigure sincronizat efectuarea operaţiilor interne din cadrul unui SAD.

Performanţele unui SAD sunt date de:

- rezoluţia şi precizia cu care se realizează conversia A/N;

- numărul canalelor analogice investigate (servite);

- frecvenţa de eşantionare pe fiecare canal;

- cadenţa de transfer prin SAD, adică numărul maxim de eşantioane convertite care se obţin

la ieşire în unitatea de timp (indiferent de canalul de pe care provin);

- facilităţile oferite de condiţionare a semnalului de intrare;

- costul SAD-ului.

Clasificarea SAD-urilor poate fi făcută după următoarele criterii:

15


a) în funcţie de condiţiile mediului în care lucrează:

-SAD-uri pentru medii de laborator (condiţii favorabile);

- SAD-uri pentru medii cu condiţii grele (echipamente militare, instalaţii telecomandate,

procese industriale);

b) în funcţie de numărul de canale analogice investigate (monitorizate):

- SAD-uri cu un singur canal;

- SAD-uri cu mai multe canale.

SAD-urile multicanal pot fi:

- cu multiplexarea numerică a ieşirilor din CAN-uri, fiecare CAN corespunzând unui canal;

- cu multiplexarea analogică a ieşirilor din dispozitivul de eşantionare şi reţinere (DER), la

fiecare canal analogic corespunzând un DER;

- cu multiplexarea analogică a semnalelor de intrare de nivel mare şi un singur DER;

- cu multiplexarea analogică a semnalelor de intrare de nivel scăzut şi amplificator

programabil (AFAP) + DER

c) din punct de vedere constructiv, ţinând seama de posibilităţile locale existente la un

proces care urmează a fi supravegheat şi/sau condus cu un calculator, se disting:

16


- SAD-uri tip concentrator de date - denumit şi dispozitiv secundar compact - în care se

stochează date sub formă numerică de la mărimi de proces aferente unei zone (arii) de

răspândire spaţială, fiecare concentrator fiind conectat la postul central (dispecer) prin

intermediul unei magistrale de câmp;

- SAD-uri de tip placă multifuncţională de intrări/ieşiri analogice şi numerice compatibilă cu

magistrala de PC (plug in);

- SAD-uri de tip modul multifuncţional pentru intrări/ieşiri analogice şi numerice, organizat

în jurul unui microcontroller, cu alimentare proprie şi comunicaţie la distanţă prin magistrală

multipunct (tip RS-485) – stand alone;

- SAD-uri de tip terminal inteligent (traductor / element de acţionare inteligent) destinat unei

singure mărimi de intrare/comandă, care lucrează printr-o interfaţă serială multipunct cu un

PC (post dispecer);

-SAD-uri de tip aparate/instrumente programabile cuplate între ele prin interfaţă paralelă,

gestionarea interfeţei fiind asigurată de un controller de sistem.

NOTA: Structurile de SAD-uri de tip stand alone se realizeaza – in prezent – si in versiune

wireless (de exemplu WiFi, ZigBee).

17

SAD-uri monocanal

Structura unui SAD monocanal este

prezentată în figura…. Semnalul analogic de intrare x(t) este

aplicat unui circuit de condiţionare

CC care poate îndeplini, după caz,

una sau mai multe din funcţiile:

amplificare/atenuare, compresie,

axare, integrare/derivare, filtrare

pentru rejecţia zgomotelor de

frecvenţă industrială sau înaltă

frecvenţă.

→ un CC asigură aducerea semnalului de intrare x(t) în

domeniul de lucru al CAN-ului (funcţie similară unui

circuit de intrare CI corelat cu circuitul de prelucrare

intermediară CPI de la un traductor analogic), precum şi

eliminarea (sau cel puţin diminuarea) influenţelor externe.

În continuare, dispozitivul de

eşantionare cu reţinere DER

asigură o valoare constantă la

ieşire pe toată durata conversiei

efectuată de CAN.

Când s-a sfârşit conversia, echivalentul numeric este

memorat într-un registru temporar RT.

Sincronizarea operaţiilor în cadrul SAD-ului este asigurată de blocul de comenzi BC.

18

SAD-uri multicanal cu multiplexare numerică

Pentru achiziţia semnalelor

analogice, care necesită o

frecvenţă de eşantionare la

limita performanţelor CAN-

urilor, se realizează SAD-uri

multicanal având structura -

pe fiecare canal - a SAD-

urilor monocanal, iar

valorile numerice sunt

transmise mai departe prin

intermediul unei

multiplexări numerice

(figura…)

Sunt avantajoase din următoarele considerente:

- se pot utiliza CAN-uri relativ lente şi în consecinţă ieftine;

- sunt foarte indicate la aplicaţii industriale, cu traductoare răspândite pe o suprafaţă mare;

- procesorul local PL poate opera asupra datelor numerice ce urmează a fi multiplexate.

19

SAD-uri multicanal cu multiplexare analogică

În cazul când

frecvenţa de

eşantionare impusă

nu este prea mare,

iar CAN-ul poate

executa toate

conversiile pe cele n

canale între două

eşantionări

succesive, se

utilizează SAD-uri

multicanal, cu

multiplexare

analogică, ca în

figura….

Un ciclu global de conversie este alcătuit din n cicli individuali de

conversie în care, succesiv, fiecare intrare este adusă prin intermediul

multiplexorului analogic la intrarea DER-ului unde este eşantionată şi

reţinută, este convertită în echivalent numeric de CAN şi memorată în

locaţia corespunzătoare din RT

20

SAD-uri multicanal cu multiplexare analogică

Pentru semnale de

nivel scăzut se

utilizează SAD-uri

cu multiplexare

analogică având în

intrare configuraţia

din figura….

Pentru a diminua efectul

perturbaţiilor se utilizează

ecranarea individuală şi

eventual filtrarea trece-jos

pasivă (cu capacitate), în

consecinţă multiplexorul

analogic trebuie să fie capabil

să comute atât firele de

semnal cât şi ecranul.

Preluarea semnalului util se face cu un amplificator

instrumental cu gardare (ecran) având factorul de amplificare

programabil, în acest fel utilizându-se cât mai eficient

rezoluţia conversiei analog-numerice

21

Sisteme de distribuire a datelor (SDD)

După ce datele au fost achiziţionate, prelucrate numeric de dispozitivele de automatizare, ele

trebuie distribuite către elementele de acţionare sub formă de comenzi numerice sau

analogice

Probleme deosebite ridică sistemele de distribuţie a datelor sub formă analogică, care

necesită prezenţa unui CNA, a căror performanţe sunt date de:

- rezoluţia şi precizia conversiei numeric-analogice;

- numărul canalelor analogice servite;

- frecvenţa de extragere a eşantioanelor de date pe fiecare canal;

- timpul de stabilizare impus semnalului analogic pe canal;

- natura sarcinii şi puterea absorbită de aceasta pe fiecare canal;

- costul SDD-ului.

Distribuirea datelor este mai puţin sensibilă la perturbaţii ca achiziţia acestora, totuşi

zgomotul provocat de cuantizare şi eşantionare deranjează, de aceea după CNA se prevăd

circuite de ieşire care conţin filtre urmate de amplificatoare de putere (repetoare).

22

SDD-uri cu CNA pe fiecare canal analogic

În figura… este prezentată structura

unui SDD cu CNA pe fiecare cale.

Datele, prezente secvenţial pe

magistrala de date, sunt încărcate

succesiv în registrele temporare RT1,

..., RTn (sub supervizarea blocului de

comenzi) şi, fiind prezente în

permanenţă la intrările CNA1, ...,

CNAn, sunt transformate în ieşirile

analogice x1(t), ..., xn(t).

Dacă este necesar ca momentul

schimbării mărimilor analogice din

ieşire să fie acelaşi se prevăd

registrele suplimentare RT‟1, ..., RT‟n

a căror încărcare se face simultan,

după ce s-au încărcat secvenţial RT1,

..., RTn

Concluzie: se poate opera pe o comunicaţie serială între

unitatea de prelucrare şi SDD

23

SDD-uri cu un singur CNA şi memorie analogică pe fiecare canal

Un astfel de SDD este prezentat în

figura….

Datele sosite pe magistrala de date a

sistemului sunt memorate secvenţial -

canal cu canal - în registrul temporar RT

După conversia numeric analogică

datele sunt memorate analogic în

blocurile de eşantionare şi memorare

analogică EMA, la momentele date de

timpii de eşantionare Te1, Te2, ..., Ten

Între două momente de eşantionare succesivă pe acelaşi canal de ieşire, informaţia analogică

memorată nu trebuie să se altereze esenţial, în consecinţă se procedează la reîmprospătarea

periodică a memoriei analogice.

Sunt recomandate la rezoluţii moderate - tipic 8 biţi.

24

TRADUCTOARE INTELIGENTE

Ca definiţie generală traductorul este un convertor de energie, transformând un semnal de o

anumită natură fizică, în alt semnal de altă natură fizică.

→ extensia noţiunii şi la dispozitivul de acţionare, care returnează comanda necesară pentru

automatizarea procesului în concordanţă cu cerinţele de conducere (reglare) impuse

Vom atribui noţiunea de traductor atât elementului care preia informaţia de la parametrul de

proces – traductorul propriu-zis în accepţiunea clasică – cât şi celui care generează mărimea

de execuţie către proces (dispozitivul de acţionare sau actuatorul).

Integrarea în structura traductorului a unei unităţi de calcul de tip microprocesor sau

microcontroler, împreună cu blocurile de condiţionare, conversie şi interfaţa de comunicaţie,

a permis obţinerea de traductoare inteligente.

Noţiunea de traductor / senzor inteligent

Există diferite definiţii ale traductorului inteligent; una din cele mai cuprinzătoare – pe care

o vom folosi în continuare – este dată în standardul IEEE 1451.2/1997.

Un traductor inteligent este “un traductor care realizează funcţii suplimentare faţă de cele

necesare reprezentării corecte a cantităţii trimise sau controlate; această funcţionalitate

simplifică integrarea traductorului în aplicaţii dintr-un mediu „reţelizat‟.”

25


Standardul se referă la termenul general de “traductor” atribuit atât senzorilor cât şi

dispozitivelor de acţionare (actuatoare) → un senzor inteligent este “o versiune de senzor a

unui traductor inteligent”. Un senzor inteligent trebuie să facă mai mult decât să dea un răspuns corect sau să comunice

într-un format digital → un senzor inteligent adaugă valoare datelor, în sensul de a permite

sau suporta procese distribuite şi de a lua decizii.

Facilităţile dorite de la un senzor inteligent pot include:

● autoidentificarea;

● autodiagnosticarea;

● “conştienţa timpului”, în sensul marcării timpului corelat cu canalul de pe care se

colectează datele;

● “conştienţa locaţiei”, în sensul marcării poziţiei spaţiale pentru fiecare canal;

● funcţii de ordin superior ca: prelucrare de semnale, colectare şi stocare de date, detectarea

evenimentelor şi raportarea lor, fusiunea datelor, adică a măsurărilor provenite de la canale

multiple;

● conformitatea cu standarde de comunicaţie a datelor şi protocoale de control a

corectitudinii acestora.

26


În figura… se prezină un model general de senzor inteligent

Modelul arată domeniul complet al funcţiilor senzorului inteligent plecând de la elementul

sensibil din lumea reală – din stânga – prin condiţionare şi conversie către domeniul digital

şi – în final – către reţeaua de comunicaţie din dreapta.

27


Memoria de date poate fi folosită atât pentru stocarea datelor, dar şi pentru parametrii

dispozitivului, cum ar fi TEDS (Tranducer Electronic Data Sheets) definite în standardele

IEEE 1451.

Blocul central, denumit “Algoritmi de aplicaţie”, realizează inteligenţa, care face din senzor

un dispozitiv inteligent. Acest bloc poate include maşina de corecţie care realizează

compensarea şi corecţia neliniarităţilor, ca şi o serie de funcţii de nivel înalt cum ar fi:

procesarea complexă a semnalului digital, istoricul semnalului după un algoritm impus,

detecţia evenimentului la situaţii critice, fusiunea datelor, realizarea unor algoritmi de reglare

de tip PID etc.

Multitudinea algoritmilor de aplicaţie implementaţi la nivelul senzorului inteligent face

posibilă migrarea inteligenţei către punctul de măsurare/comandă, degrevând astfel serverul

de aplicaţie de aceste operaţii consumatoare de resurse şi timp.

Figura… arată configuraţia unui dispozitiv cu un singur canal, în realitate fiind posibile

configuraţii cu canale multiple. Exemplificare: un traductor inteligent de temperatură cu

termocuplu.

28


De asemenea, în figura... nu sunt prevăzute (dispuse) elementele care permit conştientizarea

în timp şi spaţiu (de exemplu conştientizarea timpului poate fi făcută prin reţeaua de

comunicaţie, iar localizarea prin fixarea coordonatelor în cadrul memoriei traductorului la o

configuraţie staţionară, sau prin GPS la una mobilă). Partajarea blocurilor funcţionale expuse în figura..., ca şi a specificaţiilor de detaliu, a

constituit sarcina Comitetului Tehnic nr.9 din cadrul NIST (National Institute of Standards

and Technology).

Exemplu de traductor inteligent

Un exemplu de traductor inteligent este prezentat în figura… la care protocolul de

comunicaţie este HART. Variaţiile elementului sensibil ES (senzor) sunt condiţionate analogic de circuitul de

condiţionare CC, după care sunt convertite digital de convertorul analog-numeric CAN

Urmeaza prelucrarea numerică a semnalului digital obţinut de la senzor: corecţia

neliniarităţilor (se foloseşte metoda de liniarizare prin aproximare polinomială), alte

categorii de prelucrări care garantează obţinerea performanţelor statice ale traductorului

inteligent.

29


30


Structura electronică propriu-zisă a traductorului este realizată cu circuite integrate ultra

low power lucrând la tensiuni de alimentare de 3,3V sau 5V; această tensiune este obţinută

din bucla de curent 4†20mA cu ajutorul unui tranzistor FET. În acelaşi timp, prin

convertorul numeric-analogic CNA, echivalentul numeric al intrării măsurate şi corectate

este convertit în curent continuu cu variaţie în limite unificate 4†20mA (a se vedea

generatorul de curent comandat în tensiune şi rezistenţa de control RC, căderea de tensiune

pe aceasta fiind folosită în elaborarea tensiunii de comandă într-o manieră similară unui

sistem cu urmărire). Traductorul inteligent, prin modul lui de construcţie, poate lucra independent comunicând

valoarea primară măsurată (în cazul dispozitivelor de câmp) prin bucla de curent 4†20mA,

care reprezintă unul din cele mai rapide şi fiabile standarde industriale.

Protocolul HART foloseşte principiul modulării şi comutării în frecvenţă (frequency shift

keying –FSK) bazat pe standardul de comunicaţie Bell 202, care este unul din cele mai

folosite standarde de transmisie digitală pe linii telefonice. → se suprapune comunicaţia digitală peste bucla de curent 4†20mA. Transmisia comenzilor

către dispozitivul de câmp se face prin intermediul generatorului de formă de undă GFU şi a

capacităţilor de cuplare CC, iar recepţia prin intermediul capacităţii de cuplare CC şi a

filtrului trece-bandă FTB.

31


Semnalul transmis/recepţionat este

de formă sinusiodală, cu frecvenţa

de 1200 Hz pentru “1”, respectiv de

2200 Hz pentru “0” (figura…).

Deoarece amplitudinea undelor

sinusoidale este mică, iar valoarea

medie este zero, rezultă că semnalul

de comunicaţie suprapus peste cel de

curent îl va influenţa nesemnificativ.

Datorită caracterului de filtrare al

traductorului, considerând

caracteristica sa echivalentă unui

filtru trece-jos cu un pol de 10Hz,

semnalul de comunicaţie poate fi

privit ca un ripple (undă) de

aproximativ ±0,01% din semnalul de

la cap de scară (20mA).

Prin intermediul comunicaţiei digitale HART se obţin

informaţii suplimentare despre dispozitiv, pe lângă

variabila primară, cum ar fi: starea dispozitivului,

diagnostice, măsurări suplimentare sau valori calculate

etc.

32


Se pot modifica anumiţi parametri ai

dispozitivului ca: unitatea de măsură a

variabilei primare, limitele (superioară,

inferioară) ale domeniului de măsurare,

constanta de amortizare etc (parametrii

care pot fi modificaţi sunt specificaţi de

fabricant în ideea garantării unei

configurări flexibile a dispozitivului

montat într-o buclă de automatizare).

Dispozitivele prevăzute cu protocol HART

pot opera în două configuraţii de reţea:

punct la punct şi multipunct

(exemplificare în figura).

Setul de comenzi HART realizează o comunicaţie consistentă şi uniformă pentru toate

dispozitivele configurate HART. Acesta include trei clase de comenzi: universale, comune

conform practicii de utilizare şi specifice unui anumit dispozitiv.

Tipuri de senzori

Senzori de proximitate

optici Funcţionarea acestor senzori se bazează pe

modificarea fluxului luminos, dintre un generator

şi un receptor, în prezenţa obiectului controlat.

Ca generatoare se utilizează diodele cu radiaţii în

infraroşu, iar ca receptoare se utilizează

fotorezistoare, fototranzistoare, fotodiode. Pentru

mărirea sensibilităţii spaţiale de detectare,

generatorul şi receptorul, se prevăd cu sisteme

optice de focalizare pentru distanţa prescrisă.


inductivi Aceşti senzori au cea mai largă răspândire în practică,

deoarece sunt simpli, fiabili şi au un preţ scăzut.

Elementele componente principale ale senzorilor inductivi sunt: un circuit oscilator rezonant LC, un redresor (rectifier), un comparator pe baza unui bistabil basculant Schmidt şi un amplificator. Când în zona de control nimereşte vreun obiect metalic, câmpul electromagnetic alternativ induce în el, ca într-un circuit magnetic, nişte curenţi turbionari, care produc, la rândul lor, câmpul de reacţie magnetică. Acesta din urmă acţionează asupra câmpului înfăşurării primare, micşorându-l substanţial şi blocând astfel oscilatorul.


inductivi Parametrul principal al senzorilor inductivi de

proximitate îl constituie distanţa de control sau

activă a obiectelor metalice, care pot fi depistate.

Această distanţă depinde de mai mulţi factori, de

exemplu de proprietăţile magnetice ale obiectelor

controlate şi de puterea elementelor componente.

Evident că, cu cât distanţa activă este mai mică, cu

atât gabaritele senzorilor sunt mai mici. Această

distanţă, însă, nu este uniformă faţă de suprafaţa

capului senzorului, ci are o formă conică.


capacitivi Aceşti senzori reprezintă o variantă alternativă şi aditivă

senzorilor inductivi, deoarece pot să detecteze atât obiecte metalice, cât şi cele dielectrice în diferite stări de agregare şi forme: lichide, solide, inclusiv în formă de praf. Ei pot să înregistreze prezenţa şi cantitatea multor materiale şi substanţe conducătoare de curent electric sau izolatoare, de exemplu a apei, uleiului, spirtului, hârtiei, cartonului, sticlei, maselor plastice, cimentului, nisipului, făinii, zahărului, cerealelor şi multor altor substanţe.

Componenţa elementelor senzorilor capacitivi de proximitate este practic aceleaşi ca şi la senzorii inductivi, însă principiul de detectare a obiectelor sau materialelor este diferit.

Senzori de proximitate cu

ultrasunete

La baza funcţionării acestor senzori se află emiterea

periodică a unor unde ultrasonore de frecvenţă înaltă (30-400kHz) şi receptarea timpului ecourilor (întoarcerii) acestor unde, reflectate de un obiect, distanţa până la care trebuie controlată. Acest timp depinde de frecvenţa undelor ultrasonore şi de distanţa până la obiect. Cunoscând viteza ultrasunetelor şi măsurând timpul dus-întors al lor, se poate calcula distanţa sau înălţimea până la obiect.

Un avantaj important al traductoarelor ultrasonore îl constituie posibilitatea de măsură şi control a distanţei într-un interval de la 6 cm şi până la 10 metri.

Senzori de proximitate cu

ultrasunete

Emiterea undelor de către emiţător se efectuează, de

obicei, în forma unui con de un unghi relativ mic (5-8º)

însă acest con are în apropierea nemijlocită de emiţător

o zonă moartă, care nu poate fi controlată şi care

trebuie exclusă din zona de lucru.

Această zonă, care constituie 15-20% din toată zona

controlată, este condiţionată de intervalul minim

necesar de timp de trecere din regimul de emisie în cel

de recepţie. Ea se exclude, de obicei, prin alegerea

corectă a locului de montare a senzorului.

Senzori pentru gaz

Dintre categoriile de senzori enumerate mai sus, cele care

semnalează, evaluează şi monitorizează prezenţa unor gaze

prezintă o importanţă deosebită. În acest context, senzorii

pe bază de materiale oxidice (SMO) ocupă un loc deosebit

datorită, în special, rezistenţei lor chimice şi domeniului

ridicat de temperatură la care pot fi utilizaţi.

Studiile asupra unui număr mare de oxizi au demonstrat că

variaţia conductivităţii electrice în prezenţa unor urme de

gaze din aer constituie un fenomen comun oxizilor şi nu

aparţine unei clase specifice /1,2/. Dacă un material oxidic

prezintă valori ale rezistivităţii cuprinse în domeniul 104-108

cm la 300-400C, atunci el va funcţiona ca un senzor de

gaze când este încălzit la o temperatură situată în acest

domeniu.

Materiale folosite la senzorii

pentru gaz Oxid Gazul detectabil

SnO2 H2, CO, NO2, H2S, CH4

TiO2 H2, C2H5OH, O2

Fe2O3 CO

Cr1.8Ti0.2O3 NH3

WO3 NO2, NH3

In2O3 O3, NO2,

LaFeO3 NO2, NOx

Structura internă a senzorului

semiconducor (SnO2) pentru gaze

În principiu, un senzor pentru detecţia gazelor este

compus din:

două terminale pentru rezistenţa de încălzire;

două terminale de la filmul semiconductor (SnO2);

capsula poroasă ce protejează mecanic senzorul, lăsând

gazul să treacă spre el.

Structura internă a senzorului

semiconducor (SnO2) pentru gaze

La unele modele de senzori capsula este dintr-un material plastic neinflamabil, iar accesul gazului la elementele senzitive se realizează printr-o fantă în partea superioară, fantă care este acoperită cu o reţea(plasă) din oţel pentru a preveni aprinderea gazului.

Rezistenţa de încălzire aduce senzorul la temperatura optimă de funcţionare pentru gazul care trebuie detectat (de obicei intre 200

oC si 400 oC). Materialul sensibil la gaz este bioxidul de staniu (SnO2). Pe suprafaţa granulelor de SnO2 se adsoarbe oxigen din aer care preia electroni mobili din banda de conducţie. Bioxidul de staniu, fiind semiconductor de tip "n" cu zona interzisă mare (3,8eV), va fi sărăcit la suprafaţă de purtători de sarcină mobili şi din această cauză rezistenţa electrică la contactul dintre granule va fi mare. În momentul în care apare un gaz capabil să se combine cu oxigenul adsorbit, electronii iniţial legaţi de oxigen sunt eliberaţi în banda de conducţie, rezistenţa electrică a dispozitivului scăzând mult. Dependenţa conductanţei senzorului în funcţie de concentraţia gazului reducător este de tipul:

Bucle inductive

Detectorul de tip buclă inductivă reprezintă cea mai simplă metodă de detecţie a traficului. Forma şi mărimea acestuia variază de la caz la caz, între pătrate, dreptunghiuri sau cercuri cu diametre cuprinse în intervalul 1.5-2m.

Principalele componente ale detectorului sunt una sau mai multe spire dintr-un conductor izolat amplasat într-un locaş din drum, un cablu de alimentare care soseşte dintr-o cutie de joncţiune situată pe marginea drumului, un dulap de echipament şi unitatea electronică din interior, conectată la surse de alimentare fixe cu rezervare.

Aplicaţiile constau în detecţia prezenţei vehiculelor, numărarea vehiculelor sau determinarea gabaritului.

Deşi buclele inductive nu pot determina prin măsurare directă viteza vehiculelor, aceasta se poate determina totuşi cu ajutorul unei perechi de bucle amplasate pe acelaşi ax, la o distanţă bine stabilită, sau cu o singură buclă prevăzută cu un algoritm special, care trebuie să aibă ca intrări lungimea buclei, lungimea medie a vehiculului, timpul de staţionare în zona de acţiune a detectorului şi numărul de vehicule contorizate.

Bucle inductive

Unele versiuni de detectoare bazate pe bucle inductive suportă şi clasificarea vehiculelor, prin utilizarea unor frecvenţe superioare de lucru, în vederea părţilor metalice ale vehiculelor. Amplasarea buclelor inductive se poate face atât în amonte de o intersecţie, permiţând instalaţiei de control centralizat al traficului să elaboreze estimări privind lungimea cozilor de vehicule, cât şi după intersecţie, caz în care se face măsurarea vehiculelor care au ieşit din intersecţie pe anumite benzi sau sensuri de circulaţie, sau amplasarea buclelor chiar pe liniile de stop.

Exemplu de amplasare a

buclelor inductive pentru

măsurarea vitezei

Probleme legate de instalare: întreruperea

traficului, calitatea suprafeţei drumului,

întreţinere, cost manoperă, etc.

Informaţiile pot fi preluate din diverse

puncte ale reţelei de drumuri. Detecţia prea

apropiată de linia de stop nu va permite

sistemelor UTC să primească datele, să le

proceseze şi să comande semafoarele din

aval în timp util pentru ca acţiunile dorite să

poată să se desfăşoare corect.

Detecţia realizată la jumătatea distanţei

reprezintă un bun compromis, însă

comunicaţiile şi cablarea intersecţiilor

implică costuri mai mari decât în alte cazuri.

Documents

Stad.final