2. Historia
• Historia czujników zintegrowanych sięga końca lat 60.
ubiegłego wieku i z początku dotyczyła opracowanej przez
firmę Honeywell metody produkcji piezorezystancyjnych
krzemowych struktur czujników ciśnienia. Pierwszy
zintegrowany czujnik ciśnienia z cyfrowym wyjściem został
skonstruowany i przetestowany w 1971r. Konstruktorzy
zamierzali wykorzystać ten układ do zastosowań
medycznych, ale pierwsze zastosowanie znalazł w
przemyśle lotniczym, gdzie służył do pomiarów ciśnienia w
samolotach firmy Dougnelas
• W technologii wymaga się produkcji masowej przy
zachowaniu niskich kosztów produkcji, jednocześnie
zmusza do opracowania metod łączenia w układach
elektronicznych, materiałów o różnych właściwościach, nie
tylko krzemu i metalu, ale coraz częściej ceramiki, plastiku,
a nawet substancji biochemicznych.
3. Historia
Pojęcie „przetwornik inteligentny” pochodzi od
angielskich określeń smart sensor, intelligent
transmitter. Po raz pierwszy zostało użyte w
połowie lat 80-tych dla wyróżnienia
właściwości
przyrządów
pomiarowych
opartych na technologii cyfrowej, których
możliwości znacznie przewyższały możliwości
dotychczas
stosowanych
przetworników
analogowych.
4. Dwustopniowe przetwarzanie wielkości mierzonej
Współczesne systemy sterowania, wymagają pomiarowych układów
wejściowych, dostarczających znormalizowanych sygnałów elektrycznych
analogowych lub cyfrowych.
Oznacza to konieczność przetworzenia wielkości mierzonej na akceptowalną
postać wielkości wyjściowej, a to z reguły wymaga przynajmniej jednego,
dodatkowego stopnia przetwarzania sygnału.
Klasycznie, rozdzielamy ten istotny fragment toru pomiarowego na dwa
podstawowe bloki:
• czujnik, realizujący wstępny etap przetwarzania wielkości mierzonej na
inną, łatwą do dalszego przetwarzania wielkość (najczęściej elektryczną –
zmiana rezystancji, pojemności, indukcyjności, napięcia) oraz
• blok normalizacji sygnału, który zawiera dalsze etapy przetwarzania,
obejmujące wzmocnienie sygnału, często też przetwarzanie a/c, a coraz
częściej obróbkę programową sygnału w układzie mikrokontrolera (np.
złożone algorytmy filtracji, linearyzacji i kompensacji zakłóceń).
We współczesnych rozwiązaniach przetworników coraz częściej następuje
integracja wskazanych bloków do postaci jednego elementu.
6. Czujnik jako element przetwornika pomiarowego
Czujnik jest odbiornikiem informacji ze świata
zewnętrznego i odwzorowuje w sposób
jednoznaczny
wejściową
wielkość
nieelektryczną (fizyczną lub chemiczną np.
ciśnienie, temperaturę) na wyjściową wielkość
elektryczną
(rezystancja,
pojemność,
indukcyjność)
9. Wzmacniacz jako element konwencjonalnego
przetwornika
Sygnał wyjściowy z czujnika tylko niekiedy nadaje
się do bezpośredniego wykorzystania w układach
regulacji, na ogół trzeba go przekształcić do
postaci zgodnej z wymaganiami systemu co
zapewnia
blok
przetwarzający
zwany
wzmacniaczem lub przetwornikiem pośrednim.
Wzmacniaczem nazywamy układ pośredniczący,
przetwarzający sygnał wyjściowy z czujnika na
sygnał standardowy y(t) pojawiający się na
wyjściu z przetwornika pomiarowego.
11. Jakie parametry charakteryzują przetwornik pomiarowy
Na tabliczce znamionowej przetwornika pomiarowego możemy odczytać
między innymi następujące informacje charakteryzujące przetwornik
pomiarowy:
• Zakres mierzony (pomiarowy) – jest to przedział pomiędzy minimalną
wartością wielkości mierzonej, a jej wartością maksymalną (xmin. ÷ xmax lub
LRV ÷ URV) której na wyjściu z przetwornika przyporządkowujemy wartości
odpowiednio 4mA i 20 mA
• Zakres całkowity – jest to przedział wartości mierzonej w którym pracuje
przetwornik pomiarowy (tzn. nie możemy dokonywać pomiaru mniejszego
ani większego od tego jaki przedstawia zakres całkowity)
• często na tabliczkach znamionowych pojawia się informacja Minimalna
szerokość zakresu mierzonego (pomiarowego) – jest to najmniejsza
wartość zakresu wielkości mierzonej której na wyjściu z przetwornika
możemy przyporządkować wartości odpowiednio 4mA i 20 mA
12. Jakie parametry charakteryzują przetwornik pomiarowy
Ponadto na tabliczce znamionowej możemy odczytać:
• Sygnał wyjściowy - 4 mA ÷ 20 mA
• Napięcie zasilania - 12 V ÷ 40 V
13. Kalibracja przetwornika pomiarowego
W celu przystosowania przetwornika pomiarowego do pracy tzn. aby mierzył w
zakresie który nas interesuje należy przeprowadzić jego kalibrację.
Jeśli kupiliśmy przetwornik jednozakresowy (na tabliczce podany jest tylko zakres
pomiarowy) to kalibrację wykonał producent przyrządu pomiarowego. Natomiast
jeśli przetwornik pomiarowy jest wielozakresowy tj. umożliwia wybór pewnego
przedziału zakresu mierzonego który nas interesuje należy przeprowadzić
kalibrację przetwornika.
W tym celu należy:
1. Ustawić minimalną wartość wielkości mierzonej (xmin, LRV)
2. Pokrętłem regulacji „zera” doprowadzić sygnał wyjściowy z przetwornika do
wartości 4 mA
3. Ustawić maksymalną wartość wielkości mierzonej (xmax, URV)
4. Pokrętłem regulacji „zakresu” doprowadzić sygnał wyjściowy z przetwornika do
wartości 20 mA
16. Co oznacza słowo „inteligentny”
Słowo „inteligentny” oznacza, że przetwornik
taki potrafi adaptować się do zmiennych
warunków pomiarowych, ma możliwość
podejmowania decyzji w zależności od
uzyskanych wyników pomiarowych, można
takim przetwornikiem zdalnie sterować oraz
przeprogramowywać jego, potrafi wykonać
wstępną obróbkę zmierzonych danych oraz że
jest on w stanie komunikować się z innymi
urządzeniami.
17. Co umożliwia jeśli „inteligentny”
Inteligentny przyrząd pomiarowy wyposażony
jest w przetwornik analogowo-cyfrowy,
mikroprocesor, układ komunikacji i pamięć.
Taki przyrząd przekazuje informacje w postaci
cyfrowej bądź analogowej i komunikuje się z
zewnętrznym
cyfrowym
systemem
pomiarowym w oparciu o dowolny
standardowy protokół komunikacji.
20. Przetwornik inteligentny – połączenie czujnika, wzmacniacza i
mikroprocesora
Pierwszym elementem dokonującym pomiaru jest zawsze
czujnik (np. fotodioda, kondensator, opornik itp.).
Sygnał z czujnika poddawany jest obróbce (np.
linearyzacji, filtrowaniu, wzmocnieniu) poprzez układy
korygujące, kondycjonujące.
Następnie po wstępnej obróbce trafia do
mikrokontrolera (jeśli układ składa się z wielu
czujników wcześniej znajduje się układ multipleksera),
który zapewnia nie tylko przetwarzanie sygnału do
postaci cyfrowej, ale również jego analizę i interfejs
komunikacyjny z urządzeniami, do których został
podłączony.
24. Struktura inteligentnego przetwornika pomiarowego
Dodatkowo w pamięci mikroprocesora wbudowane mogą być
funkcje logiczne odpowiadające za wspomnianą wcześniej
inteligencję. Przykładem mogą być funkcje zapewniające:
• autodiagnostykę,
• autokalibrację,
• autodetekcję.
W ten sposób możemy określić, że przetwornik inteligentny to
zintegrowany układ potrafiący, bez żadnych dodatkowych
elementów, zapewnić pomiar, obróbkę sygnału,
komunikację z innymi urządzeniami oraz posiadający
funkcję
logiczne
świadczące
o
jego
pewnej
autonomiczności. Większości zadań wymaga jednak
wbudowania w jednym układzie wielu mikroczujników oraz
co najmniej jednego mikrokontrolera lub mikroprocesora.
Takie układy nazywane są często inteligentnymi systemami
pomiarowymi.
27. Zalety wprowadzenia bloku komunikacji
Wprowadzenie bloku komunikacji i zaimplementowanie
protokołu transmisji otworzyło nowe możliwości przed
przetwornikami pomiarowymi. Operator oprócz
informacji o wielkości mierzonej ma dostęp do
informacji o samym przetworniku - o konfiguracji
przetwornika, aktualnym stanie, funkcji trendu itp.
Komunikacja cyfrowa możliwa jest w dwóch
kierunkach a więc operator może zdalnie konfigurować
przetwornik znajdujący się np. w trudno dostępnym
miejscu.
W przetwornikach pierwszej generacji konfiguracja
odbywała się za pomocą przycisków znajdujących się
na przetworniku, albo też za pomocą komunikatora
dołączanego do specjalnego złącza np. RS 232.
29. Zalety układu MIMO – multi input, multi output
• Przetwornik ten jest więc układem typu MIMO – multi
input, multi output. W inteligentnych przetwornikach
pierwszej
generacji
wymagane
było,
aby
charakterystyka czujnika była stała i stabilna nie tylko
w czasie, ale i od innych czynników (np. temperatury,
ciśnienia czy wilgotności). W przetwornikach trzeciej
generacji niedogodność tą wyeliminowano przez
dodanie dodatkowych czujników mierzących wielkości
mające wpływ na wynik pomiaru. Uwzględnianie
poprawek od tych czynników znacznie zwiększyło
dokładność pomiaru
• ponadto pozwoliło to na dokonywanie pewnych
obliczeń bilansowych tj. masowe natężenie przepływu,
ilość ciepła, czy zużycie gazu.
30. Cechy układów inteligentnych
W porównaniu z klasycznymi rozwiązaniami przetworniki inteligentne
potrafią realizować takie zadania, jak:
• linearyzacja charakterystyk przetwarzania – wykorzystując
odpowiednie algorytmy oraz dane pochodzące z wbudowanych
czujników kompensacyjnych albo z systemu nadrzędnego,
zwiększają dokładność pomiaru i eliminują wpływ takich czynników
jak temperatura lub ciśnienie,
• detekcja błędów i diagnostyka,
• dwustronne komunikowanie się z innymi urządzeniami w sieci,
• autotest i autokalibracja - możliwość zdalnej obsługi wielu
przetworników,
• rejestracja i analiza danych pomiarowych – wykorzystując
wbudowaną pamięć i mikroprocesor oraz komunikację sieciową,
• zdolność uczenia się i samodzielnego podejmowania decyzji – np.
określenie zakresu pomiarowego.
• wybór typu charakterystyki np.: liniowa, inwersyjna, pierwiastkowa
32. Zastosowanie przetworników inteligentnych
np. na statkach
Możliwości
wykorzystania
w
systemach
siłownianych:
• Przetworniki inteligentne coraz częściej pojawiają
się na obecnie budowanych statkach.
• Największe zastosowanie maja przetworniki do
pomiaru ciśnienia, różnicy ciśnień, temperatury,
przepływu, poziomu oraz pozycjonery.
• Inteligentne przetworniki stosuje się w systemach
pomiarowych i regulacji tam gdzie dotychczas
miały zastosowanie klasyczne przetworniki
pomiarowe. Szczególne zastosowanie znajdują w
nowych systemach automatyzacji pracy siłowni.
33. Wady przetworników inteligentnych
Pomimo wielu zalet przetworniki inteligentne,
podobnie jak inne urządzenia wykorzystujące
technikę cyfrową, mają zasadniczą wadę,
mianowicie są wrażliwe na wysoką
temperaturę. Producenci zapewniają o
poprawnej pracy w temperaturze otoczenia
do 85°C, jednak jak wskazuje praktyka nie
zawsze jest to zgodne z prawdą.
36. Interfejsy komunikacyjne
Jednym z czołowych wymagań współczesnego przemysłu jest
modułowość budowy wszystkich elementów odpowiedzialnych za
produkcję. Dotyczy to również układów pomiarowych. Wymóg ten
nakłada na producentów czujników konieczność standaryzacji
komunikacji według przyjętych rozwiązań. Wymiana danych
pomiędzy układem pomiarowym, a urządzeniami we/wy odbywa
się za pomocą transmisji równoległej albo szeregowej.
W ciągu ostatnich lat widać wyraźne odchodzenie od wykorzystywania
interfejsu równoległego w transmisji. Związane jest to z
możliwością uzyskania, coraz wyższych prędkości transmisji
szeregowej. Dotąd główną zaletą rozwiązań równoległych, była
wysoka prędkość transmisji. Poważną wadą jest jednak konieczność
prowadzenia wielożyłowych przewodów pomiędzy urządzeniami
oraz ograniczony zasięg komunikacji, a wobec nowych wymagań
(m.in. transmisji bezprzewodowej) prym przejmują rozwiązania
stosujące interfejsy szeregowe.
37. Interfejsy komunikacyjne
Różnorodność wykorzystywanych w przemyśle standardów
komunikacyjnych wynika zarówno z zaszłości historycznych, gdyż
wiele z nich tworzonych było przez kolejnych producentów
działających na rynku automatyki, jak też różnego ich
przeznaczenia. Na każdym z poziomów organizacyjnych
przedsiębiorstw wymagania stawiane infrastrukturze sieciowej są
bowiem inne, co wpływa też na różnorodność stosowanych
sposobów transmisji danych. I tak - powstały rozwiązania do
komunikacji z czujnikami i elementami wykonawczymi, jak też te
służące do przesyłania informacji pomiędzy sterownikami i
napędami, a także przeznaczone do pracy w systemach
wymagających synchronizacji urządzeń w czasie rzeczywistym. Inną
grupę stanowią sieci wykorzystywane w systemach automatyki
budynkowej, a jeszcze inne są rozwiązania własnościowe różnych
producentów - takie jak sieci używane do wewnętrznej komunikacji
sterowników z modułami we/wy.
38. Interfejsy komunikacyjne
Branża automatyki przez lata rozwinęła szereg standardów
komunikacyjnych, które zbiorczo określić można mianem
sieci polowych (fieldbus). Jednocześnie całkiem niedawno,
przynajmniej jak na historię całej współczesnej automatyki,
w przemyśle pojawił się Ethernet.
Możliwość jego wykorzystania w zadaniach takich jak opisane
powyżej, a więc sterowania czy komunikacji z elementami
wykonawczymi, zapewnili producenci branżowi, tworząc
protokoły bazujące na podstawowych warstwach modelu
OSI. Ich rozwiązania zapewniają synchronizację przesyłania
danych, gwarantując jej determinizm. Popularyzacji tego
typu sieci Ethernetu przemysłowego sprzyjają ponadto
malejące koszty wdrażania, możliwości łatwej integracji z
systemami nadrzędnymi oraz wydajność i funkcjonalność.
43. Działania diagnostyczne
• W niektórych przetwornikach inteligentnych (szczególnie
drugiej i trzeciej generacji) wbudowane są pewne funkcje
diagnostyczne. Polegać mogą one na przykład na analizie
wysyłanego sygnału, szybkości jego zmian, stałości zmian,
przekroczeniu zakresu itp.
• W przetwornikach trzeciej generacji do diagnostyki
zastosować można zainstalowane dodatkowe czujniki
wykrywające usterki czy nadmierne zużycie (np.
nieszczelności – czujnik ciśnienia, zużycie, wyrobienie – zbyt
małe tarcie itp.).
• Urządzenia
wykorzystujące
funkcje
diagnostyczne
umożliwiają konserwacje sprzętu odpowiednio do jego
stanu. Użytkownik instalacji nie musi już koncentrować się
na działaniach profilaktycznych i może odpowiednio
wcześniej zaplanować i efektywnie przeprowadzić prace
konserwacyjne.
44. Sygnalizowanie wystąpienia (ewentualnej) awarii
Nowoczesne urządzenia automatyki mają funkcje informowania o
własnych
awariach.
Oto
przykłady
wykorzystania
tej
funkcjonalności:
• Zawory sterujące są w stanie informować o swoim zatkaniu,
zaburzeniu przepływu, niedoborze powietrza, uszkodzonej
membranie, przecieku membrany lub awarii pierścienia
uszczelniającego tłok siłownika.
• Czujniki ciśnienia sygnalizują błędy układu elektronicznego, defekt
czujnika, nieprawidłową konfigurację urządzenia oraz niesprawne
linie przesyłające dane.
• Czujniki temperatury dostarczają danych na temat błędów układu
elektronicznego, defektu czujnika, nieprawidłowej konfiguracja
urządzenia, niestabilności parametrów czujnika, a także szacują
żywotność elementu pomiarowego.
• Czujniki przepływu informują o błędach układu elektronicznego,
dużych szumach procesowych, awarii uziemienia, awarii elektrody,
przepływie wstecznym lub o niepoprawnej kalibracji.
45. Prognozowanie konserwacji sprzętu
• Dzięki
inteligentnym
przetwornikom
pomiarowym
i
odpowiedniemu oprogramowaniu zarządzającemu możliwe staje
się zastąpienie regularnych bądź okresowych czynności
obsługowych modelem prognozowanej konserwacji sprzętu. Jest
to sposób konserwacji maszyn i urządzeń, polegający na
przewidywaniu i wczesnym zapobieganiu powstawania awarii i
defektów.
• Filozofia konserwacji prognozowanej (predictive maintenance)
opiera się na statystyce. Podstawą jest baza danych z informacjami
o wszystkich przeprowadzonych naprawach urządzeń oraz ciągłe
monitorowanie stanu jak największej liczby maszyn i przyrządów.
Przeprowadzone analizy są w stanie dostarczyć informacji o tym,
kiedy może nastąpić następna awaria oraz jakie podzespoły
zamienne będą wymagane. Celem konserwacji prognozowanej jest
wskazanie takiej chwili czasu, w której naprawa urządzenia byłaby
jak najbardziej opłacalna, i która bezpośrednio poprzedza
wystąpienie awarii.
46. Prognozowanie konserwacji sprzętu
Konserwacja prognozowana przynosi korzyść bez względu na
to, w jakim zakładzie przemysłowym jest stosowana.
Potwierdza to raport, w którym zanalizowano efekty
trzyletniego praktykowania konserwacji prognozowanej w
ponad 500 fabrykach o różnym profilu działalności i z
całego świata. Rezultaty są imponujące:
• koszty konserwacji zmniejszono o 50÷80%,
• liczba awarii maszyn zmalała o 50÷60%,
• magazyn części zamiennych został zredukowany o 20÷30%,
• czas przestoju maszyn ograniczono o 50÷80%,
• żywotność maszyn zwiększono o 20÷40%,
• produktywność wzrosła o 20÷30%,
• dochody wzrosły o 25÷60%.
54. Kalibracja miejscowa
Do kalibracji miejscowej wykorzystuje się
najczęściej
przyciski,
pokrętła
które
umieszczone są na panelu czołowym
przetwornika.
Ten rodzaj kalibracji jest traktowany najczęściej
jako awaryjny. Wymagana jest znajomość
hasła umożliwiającego dostęp do danych
zawartych w przetworniku.
