Лекція № 2

Тема. Датчики, що використовуються для збирання даних в інтелектуальних технологічних комплексах

План

1.      Означення поняття «датчик».

2.      Функції датчиків.

3.      Класифікація датчиків.

4.      Інтелектуальні датчики.

1.   Означення поняття «датчик»

Да́тчик, дава́ч, да́тник, се́нсор – це вимірювальний пристрій, що складається з одного або декількох вимірювальних перетворювачів величини, яка вимірюється і контролюється. Він генерує вихідний сигнал, зручний для дистанційного передавання, зберігання та використання у системах керування і має нормовані метрологічні характеристики.

Датчики є елементами технічних систем, призначених для вимірювання, сигналізації, регулювання, керування приладами та процесами. Датчики перетворюють величину, яка контролюється (тиск, температура, витрата, концентрація, частота, швидкість, переміщення, електрична напруга, електричний струм тощо) у сигнал (електричний, оптичний, пневматичний), зручний для вимірювання, передавання, перетворення, зберігання та реєстрації інформації про стан об'єкта вимірювання.

Історично давачі пов'язані з вимірювальною технікою та приладами, такими як термометри, витратоміри, прилади для вимірювання тиску тощо. Узагальнювальний термін «датчик» закріпився завдяки розвитку автоматичних систем керування, як елемент узагальненої логічної концепції «датчик – система керування – виконавчий пристрій – Об'єкт керування». Спеціальним випадком є використання датчиків у автоматичних системах реєстрації параметрів, наприклад, у системах наукових досліджень.

Термін датчик у технічному контексті можна означити так:

-         первинний вимірювальний перетворювач (чутливий елемент або сенсор) – вимірювальний перетворювач, який першим взаємодіє з об'єктом вимірювання і видає сигнал вимірювальної інформації, придатний для технічного використання, зазвичай електричний, хоча буває і інший (наприклад, пневматичний сигнал). Наприклад: тензорезистор, фотодіод, сильфон та ін.;

-         завершений виріб на основі згаданого вище елементу, що додатково може мати, залежно від потреби, засоби: підсилення сигналу, лінеаризації, калібрування, аналого-цифрового перетворення та інтерфейсу для інтегрування у системи керування. У цьому випадку чутливий елемент датчика сам по собі може називатись сенсором. Наприклад: світлочутлива матриця, датчик тиску та інше;

-         частина вимірювальної системи або системи керування у вигляді закінченої конструктивної сукупності первинних вимірювальних перетворювачів, що містить один або декілька вторинних вимірювальних перетворювачів сигналу, котра розміщена у зоні дії факторів впливу об'єкту і яка сприймає стандартно закодовану інформацію від цього об'єкту. Наприклад: витратомір Коріоліса, тензометр тощо.

2.   Функції датчиків

Останнім часом терміни «багатофункціональний датчик» чи «інтелектуальний датчик» стали вживатися для опису сучасних датчиків. Ці терміни відображають напрямки розвитку датчиків, що, окрім функцій первинного вимірювального перетворення, мають додаткові можливості для вимірювання декількох фізичних величин і використовують вбудовані аналого-цифрові перетворювачі з мікроконтролерами, що суттєво розширює їх функціональний діапазон:

-     попередня обробка сигналів (лінеаризація, фільтрування, корекція похибок);

-     само-діагностування;

-     дистанційне конфігурування (діапазону вимірювань, одиниць вимірювань, узгодження частотних характеристик);

-     окремі елементи керування;

-     передавання інформації з використанням промислових мереж Profibus, Ineterbus, Profinet та інших.

3.   Класифікація датчиків

За принципом перетворення енергії розрізняють активні та пасивні датчики, що відрізняються способами формування сигналу та схемами підключення:

-     активні (генераторні) – датчики, у яких здійснюється перетворення видів енергії від входу до виходу;

-     пасивні (параметричні) – датчики, у котрих вхідна енергія змінює параметри визначених елементів первинних вимірювальних перетворювачів.

За вхідними фізичними величинами, що підлягають перетворенню датчики бувають:

-     електричні та магнітні;

-     теплових величин;

-     механічних величин;

-     оптичних параметрів;

-     форми та розмірів;

-     акустичних величин;

-     концентрації та складу;

-     іонізаційного випромінення.

За фізико-хімічними ефектами, що лежать в основі роботи вимірювальних перетворювачів, розрізняють датчики:

-     резистивні (потенціометричні, терморезистивні, тензорезистивні);

-     ємнісні (електростатичні);

-     індуктивні та електромагнітні;

-     електричного заряду, напруги або струму;

-     зміни геометричних розмірів, маси або положення;

-     оптичних ефектів;

-     біохімічні.

За характером вихідного сигналу датчики бувають:

– дискретні;

– аналогові;

– цифрові;

– імпульсні.

За фізичною природою вихідного сигналу датчики бувають:

– з електричним вихідним сигналом (найпоширеніші);

– пневматичним вихідним сигналом;

– оптичним вихідним сигналом (перспективні);

– та інше.

4.   Інтелектуальні датчики

Новітні засоби мікроелектроніки дозволили не лише вимірювати і налаштовувати елементи, а й інтегрувати в датчики аналого-цифрові перетворювачі та мікропроцесори, що змінило підхід до розподілу функцій між елементами систем контролю та управління.

Об'єднання цифрових схем і мікропроцесорів в одному пристрої дозволяє не тільки підсилювати і коригувати, але й частково обробляти інформацію безпосередньо в самому датчику.

Такі інтегральні датчики можуть не тільки контролювати вимірювані величини, але і здійснювати їх оцінку, корекцію за певними критеріями, контролювати свої власні характеристики, працювати в режимі діалогу з центральною системою управління, приймати команди, передавати виміряні значення в цифровій формі, а також формувати аварійні повідомлення.

На відміну від інтегральних датчиків, в яких на базі нових технологій здійснюється об'єднання чутливих елементів зі схемами їх включення, а також лінеаризація характеристик і термокомпенсація, датчики з вбудованими обчислювальними засобами прийнято називати інтелектуальними, враховуючи різноманіття їх функцій, можливості самоконтролю і двостороннього обміну інформацією з системою управління.

Інтелектуальний датчик завдяки своїй структурі та розширеним функціональним можливостям дозволяє виконувати функції, що підвищують інформативність вихідного сигналу до необхідного рівня, або формувати потік даних із необхідною достовірністю, аналізуючи велику кількість результатів окремих, відносно недостовірних вимірювань.

Як результат, реальні метрологічні характеристики інтелектуальних датчиків виявляються суттєво вищими за характеристики датчиків традиційного виконання. Це пов'язано з тим, що інтелектуальний датчик не просто датчик, а являє собою сукупність апаратних і програмних засобів, що відображають властивості об'єкта у вигляді певної структури даних, створеної в результаті обробки вихідного сигналу первинного чутливого елемента за певним алгоритмом.

Приєднання технічних засобів обробки інформації безпосередньо до датчика логічно виправдано тим, що кожен крок обробки вимірювального сигналу далеко від об'єкта вимірювання пов'язаний зі збільшенням похибки вимірювання. У даному випадку доречно зауважити, що, інтелектуальний датчик має можливість узгодження вимірювального тракту з джерелом сигналу по чутливості, динамічному діапазону, вибірковості та придушенню перешкод різного виду. Він адаптує свої параметри до зовнішніх чинників та умов, забезпечує автоматичний самоконтроль функціонування, здійснює операції юстирування і тарування та проводить корекцію похибок.

В автоматичних системах управління і контролю інтелектуальні датчики виконують такі основні функціональні завдання:

– перетворення вхідного сигналу в сигнал необхідного виду з функціональним зв’язком між ними;

– перетворення отриманого сигналу в форму, що забезпечує перешкодозахищеність передачі до пристрою обробки даних по каналу зв’язку;

– вибіркову реєстрацію і попередню обробку вихідного сигналу;

– подавлення істотних для вирішення даного завдання перешкод (збурюючих впливів);

– реагування на мінливі умови в точках контролю;

– забезпечення і контроль власного функціонування.

Ці завдання зумовлюють ті інтелектуальні властивості, які повинен мати датчик, а саме:

– здатність до самонастроювання, що включає зміну чутливості і динамічних характеристик відповідно до діапазону і швидкості зміни вихідної величини, а також придушення перешкод;

– адаптивність до умов навколишнього середовища.

– здатність датчика або системи датчиків до самодіагностики, включаючи корекцію помилок.

Виходячи з цього можна дати таке визначення інтелектуального датчика – це датчик, що володіє здатністю автоматичної адаптації до джерела сигналу і навколишнього середовища, а також здатністю контролювати свої функції, коригувати помилки вимірювань, і представляє собою електронний пристрій, заснований на об’єднанні чутливих елементів, схем перетворення сигналів і засобів мікропроцесорної техніки.

Інтелектуальний датчик являє конструктивно об’єднану сукупність інформаційних пристроїв та електронного комп’ютера, розміщену в зоні дії вимірюваних величин, що сприймає укладену в об’єкті інформацію про розмір цих величин, що забезпечує автоматичне узгодження власних параметрів із параметрами вимірюваних величин і зовнішніми умовами, а також автоматичний контроль власного функціонування та компенсацію окремих похибок.

Структурна схема інтелектуального датчика залежить від структурних схем вимірювальних перетворювачів, що входять в склад датчика.

До складу інтелектуального датчика можуть входити:

– первинний вимірювальний перетворювач з неелектричним вхідним сигналом;

– проміжний вимірювальний перетворювач;

– електронний блок підготовки та первинної обробки вимірювального перетворювача;

– аналого-цифровий перетворювач;

– джерело живлення;

– мікро-ЕОМ:

– інтерфейс.

Вихідний сигнал первинного вимірювального перетворювача (МП) може безпосередньо перетворюватися в цифрову форму. Перший вимірювальний перетворювач (ІП) може бути об'єднаний з аналого-цифровим перетворювачем (ADC).

Для дискретних вимірювальних сигналів зазвичай використовується простіша структура вимірювального датчика (ВД), яка відрізняється дещо меншими апаратними витратами. До такої структури входять: чутливий елемент, перетворювач і формувач рахункового сигналу, блок формування нормованих електричних імпульсів, лічильник, мікро-ЕОМ та інтерфейс.

Використання вимірювальних датчиків (ВД) у порівнянні з традиційними датчиками має такі особливості:

1. точність вимірювань: залежить від внутрішніх похибок інформаційного перетворювача (ІП), таких як нелінійність, гістерезис та недостатня повторюваність;

2. зовнішні умови: мають вплив на точність вимірювань;

3. точність калібрування: визначає достовірність результатів;

4. ступінь відтворюваності результатів: важливий показник для забезпечення стабільних вимірювань;

5. місце розташування вимірюваної величини в діапазоні вимірювання: впливає на точність результатів;

6. точність передачі, прийому і обробки сигналу: забезпечується лініями передачі даних.

Вплив цих факторів призводить до того, що точність датчиків класу 0,25% в реальних умовах становить всього 1%. Однак точність вимірювань істотно підвищується за рахунок внутрішніх обчислень, які може виконувати ІД. Алгоритми поліпшення статичних характеристик ВД дозволяють виробляти корекцію початкового зсуву і крутизни для чітко лінійних статичних характеристик, коригування масштабу вимірювального тракту, лінеаризацію статичних характеристик табличним методом, апроксимацію за допомогою поліномів, інтерполяцію і т. д.

Завдяки можливостям самонастроювання датчик вибирає найкращий діапазон вимірювання і посилає відповідну інформацію на верхній ієрархічний рівень. У разі виходу за межі діапазону вимірювань подається аварійний або попереджувальний сигнал.

В інтелектуальних датчиках (ІД) можна коригувати вплив перешкод і різних збурень, використовуючи диференціальні методи вимірювань програмними способами, ітераційні методи обробки для нелінійних залежностей та адаптивні методи корекції для формування скоригованих значень за результатами останнього вимірювання.

Інтелектуальний датчик надійніше традиційних, оскільки дозволяє:

– спростити вимірювальний перетворювач, використовуючи можливості його характеристик за допомогою програмного забезпечення, у тому числі коригуючи масштаби і вносячи поправки на температуру за допомогою обчислювального пристрою;

– збільшити кількість однотипних осередків;

– звести до мінімуму аналогову частину – джерело несправності та спотворення;

– ввести системи автоматичного контролю старіння комітентів, що підвищують надійність датчика в цілому (виявлення перенапруг, розігріву, надлишкового статичного тиску тощо);

– контролювати стан довкілля для виявлення відхилень і виключення роботи датчика до встановлених меж;

– контролювати працездатність окремих елементів і вузлів, в тому числі напруги живлення на прецизійних елементах, рівні спрацьовування, струми і напруги зсуву;

– здійснювати автоматичне самокалібрування за зовнішнім або вбудованим еталонним джерелом.

Програмне забезпечення дозволяє автоматично управляти процесом вимірювання: включенням / виключенням, зміною діапазонів, перемиканням каналів вимірювань, частотою калібрування, порядком адресування, вибір алгоритму, тест-сигналів, точок і часу вимірювання та ін. А також вибір фільтрів відповідно до параметрів перешкод здійснюється у відповідності із завданнями вимірювання або за командами керуючої ЕОМ. Зв’язок ВД з керуючою ЕОМ та іншими периферійними пристроями реалізується програмними способами по загальній шині; передача сигналів здійснюється в режимах квітування, з перериванням і контролем програмних засобів, з послідовним і паралельним опитуванням, в режимі передачі і прийому сигналом управління. ВД дозволяє обробляти результати вимірювань з метою стискання передаваних даних, здійснює контроль граничних значень та виконує математичні та логічні операції відповідно до поставленого завдання вимірювання.

Інтелектуальні датчики забезпечують доступ до внутрішньої інформації, яка може бути використана в ланцюгах діагностики та профілактичного обслуговування. Датчик через портативний пульт або за допомогою дистанційного керування з верхнього ієрархічного рівня дає оператору відомості про:

1. Миттєві значення напруги живлення, проміжні величини та результати вторинних вимірювань;

2. Сукупності параметрів, занесених та отриманих перед виникненням несправності;

3. Дата останнього контролю (калібрування, перевірки нуля тощо);

4. Причини усунених відмов;

5. Вторинні параметри, що перевищують допустиму межу (внутрішня температура, абсолютний тиск та інші).

Інтелектуальні датчики, оснащені мікропроцесорами, дозволяють вивести можливості вимірювальних засобів на новий якісний рівень. Ідеальним рівнем розвитку «інтелектуального» датчика є інтеграція його функцій без збільшення загальних матеріальних витрат на розробку і створення вимірювальних засобів.

Незважаючи на те, що сигнал на виході чутливого елемента може бути слабким, сигнал що рухається повинен мати високий рівень і, по можливості, лежати в потрібному діапазоні значень для того, щоб дійти до основних пристроїв у неспотвореному вигляді і спростити обчислення вимірюваної величини. Тому, в загальному випадку, сигнал сенсора повинен пройти попередню обробку, яка дозволяє здійснити багато важливих завдань, таких як:

– спеціальні заходи забезпечення безпеки;

– з’єднання з іншими компонентами послідовно, паралельно або в замкнутому контурі;

– підсилення сигналу;

– масштабування;

– лінеаризація;

– перетворення сигналу.

У даний час увійшло в практику перетворення сигналу датчиків у цифрову форму в самому датчику. З огляду на зростаюче застосування розподілених систем із шинною архітектурою, це стає все більш необхідним. Однією з переваг таких систем є можливість передавання даних вимірювань без втрати точності, незалежно від відстані між датчиком і пристроями обробки даних вищого рівня.

Перенесення функцій обробки сигналів з апаратури на програмне забезпечення спрощує підвищення точності вимірювань. Виробничі відхилення можна враховувати через просту параметризацію.