Przetworniki inteligentne mier

Inteligentne przetworniki pomiarowe

Wiadomości ogólne

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.

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.

Dwustopniowe przetwarzanie wielkości mierzonejWspółczesne 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.

Przetworniki konwencjonalne

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)

Czujnik jako element przetwornika pomiarowego

Wzmacniacz jako element konwencjonalnego przetwornika pomiarowego

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.

Kalibracja przetwornika

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

Jakie parametry charakteryzują przetwornik pomiarowy

Ponadto na tabliczce znamionowej możemy odczytać:

• Sygnał wyjściowy - 4 mA ÷ 20 mA

• Napięcie zasilania - 12 V ÷ 40 V

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

Pojemnościowy przetwornik poziomu wody w kotle

Przetworniki inteligentne (typu smart)

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.

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.

Przykład czujnika przetwornika inteligentnego

Czujnik przetwornika różnicy ciśnień

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.

Struktura inteligentnego przetwornika pomiarowego

Przykładowa struktura inteligentnego przetwornika

Struktura inteligentnego przetwornika pomiarowego

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.

Pierwsza generacja inteligentnych przetworników pomiarowych

Druga generacja inteligentnych przetworników pomiarowych

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.

Trzecia generacja inteligentnych przetworników pomiarowych

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.

Cechy układów inteligentnychW 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

Linearyzacja charakterystyki statycznej

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.

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.

Pomiary w pełni skompensowane

Interfejsy komunikacyjne

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.

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.

Interfejsy komunikacyjneBranża 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.

Interfejsy komunikacyjne

Interfejsy komunikacyjne

Sieci w silniku RT-flex

Diagnostyka w przetwornikach inteligentnych

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.

Sygnalizowanie wystąpienia (ewentualnej) awariiNowoczesne 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.

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.

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%.

Przykładowe struktury przetworników inteligentnych

Struktura przetwornika inteligentnego firmy Foxboro

Struktura przetwornika inteligentnego

Montaż przetworników

Sposób podłączenia przetwornika inteligentnego

KALIBRACJA PRZETWORNIKÓW INTELIGENTNYCH

TRZY SPOSOBY

Kalibracja miejscowa

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.

Kalibracja miejscowa przetwornika ciśnienia firmy Aplisens

Kalibracja miejscowa przetwornika ciśnienia firmy Foxboro

Kalibracja miejscowa przetwornika ciśnienia firmy Foxboro

Kalibracja miejscowa przetwornika ciśnienia firmy Siemens

Kalibracja miejscowa

Kalibracja z wykorzystaniem komunikatora

Kalibracja z wykorzystaniem komunikatora

Możliwości kalibracji miejscowej i zdalnej

Kalibracja z wykorzystaniem komunikatora

Kalibracja z wykorzystaniem komunikatora

Kalibracja z wykorzystaniem komunikatora

Kalibracja z wykorzystaniem komunikatora

Ustawiane parametry w przetworniku przepływu

Kalibracja przetwornika ciśnienia firmy Aplisens z wykorzystaniem komunikatora

Kalibracja z komputera PC

Kalibracja zdalna z wykorzystaniem komputera PC

Kalibracja zdalna z wykorzystaniem komputera PC