Inteligentni senzori - primenjena elektronika

Maturski, seminarski i diplomski radovi iz informatike.

Nagli razvoj akvizicionih sistema počeo je merenjem fizičkih veličina električnim putem. Prednosti električnih merenja su: visoka osetljivost, tačnost, brzina i pouzdanost, laka indikacija i prenos signala, mala potrošnja energije i opterećenje posmatranog procesa.
Senzori ne funkcionišu samostalno, već su generalno gledano deo većeg sistema koji sadrži kondicionere signala kao i različita analogna i digitalna kola za obradu signala. Sistem može biti merni sistem, akvizicioni sistem, ili sistem kontrole procesa. Primena i mesto senzora u tipičnom sistemu kontrole procesa je prikazan na slici 3.1.1.

Osnovna uloga elektronskih mernih sistema je dobijanje potpune informacije o stanju industrijskog procesa. Do ovih informacija dolazi se eksperimentalnim postupkom, odnosno merenjem. Dobijeni kvantitativni podaci određuju trenutno stanje procesnog sistema i omogućavaju njegovo prognoziranje u budućnosti. Merenje se vrši mernim sredstvima gde se pod tim podrazumeva elektronska merna instrumentacija i drugi pomoćni uređaji.
Može se reći da danas ne postoji digitalni akvizicioni sistem koji bar u jednom svom segmentu ne koristi mikroprocesore ili moćnije računare.
U centralizovanim akvizicionim sistemima svi merni pretvarači su povezani na interfejse centralnog računara i on vrši kompletnu digitalnu obradu signala. Često je potrebno da svi merni podaci o jednom procesu budu dostupni na jednom mestu, ali njihovo prikupljanje se može organizovati i kao hijerarhijski proces. Pogodno je merne pretvarače podeliti prema prostornom rasporedu i realizovati manje akvizicione podsisteme koji bi donekle nezavisno vršili akviziciju na užem prostom i po potrebi kontrolu procesa. Ako je broj merenih veličina veliki, pa postoje i drugi akvizicioni podsistemi, oni se međusobno mogu sprezati preko računara višeg nivoa sve do sprezanja računara koji su u proizvodnji sa onim zaduženim za globalni prikaz, planiranje i analizu proizvodnje, ako postoje (slika 3.1.2). Može se uočiti da je, pored prostorne, izvršena i distribucija funkcija u mernom i kontrolnom sistemu. Takođe možemo da primetimo da je jedan od osnovnih elemenata mernog sistema senzor.

Za razliku od većine drugih komponenti elektronskih sistema, koje imaju poznate i stabilne karakteristike u datim granicama, senzori su elementi koji se mnogo teže koriste. Najčešće, vrlo slab signal koji generišu, kao i ceo niz izraženih odstupanja od idealnih karakteristika inžinjerima predstavljaju teško rešiv problem. Često uticaj temperature može da premaši osetljivost na merenu veličinu, a projektant sistema mora da vodi računa i o izlaznoj impedansi, histerezisu, uticaju napajanja, samozagrevanju, driftu, ofsetu itd. Ovakvi problemi se mogu izbeći upotrebom inteligentnih senzora.
Ulazne veličine su najčešće neelektrične. Merenje neelektričnih veličina kao što su pomeraj, temperatura, sila, pritisak, vibracije, protok fluida i drugih, ima veliki značaj u naučnoj i tehničkoj praksi, a posebno u industriji. Među različitim metodama koje se danas primenjuju nesumnjivo najveći značaj imaju metode merenja električnim putem. Primenjuju se elektronski instrumenti za merenje neelektričnih veličina, koje karakterišu osobine kao što su visoka tačnost, brzo i jednostavno očitavanje mernih rezultata i relativno mali uticaj spoljašnjih ometajućih faktora na rad instrumenta. Da bi se koristile električne metode merenja, vrši se konverzija neelektričnih veličina u električne signale pomoću uređaja koji se zove ulazni merni pretvarač ili najčešće samo merni pretvarač. Merni pretvarač predstavlja glavni i osnovni element ulaznog uređaja instrumentacionog sistema, pa i celog mernog sistema.
Merni pretvarač sadrži osnovni element, senzorski element i prema nekim procenama učestvuje u ceni mernog sistema sa značajnih 40%. Senzor je uređaj koji prihvata signal ili pobudu i daje na izlazu električni signal, dok je merni pretvarač konvertor jednog tipa energije u drugi.
Inteligentan senzor (slika 3.1.3) je uređaj koji:
1. Može da napravi odluku u zavisnosti od ulaznog signala u trenutku merenja
2. Može da bude programiran da pravi razne odluke
3. U mogućnosti je da prima i šalje podatke

Ključna karakteristika inteligentnog senzora je da vrši obradu ulaznog signala na nekom logičkom nivou, kako bi povećao nivo informacija koje procesira. Senzor je u stanju da napravi logičku odluku na nivou informacija (za neke izvorne informacije). On može da izvrši akciju u zavisnosti od te informacije, ili može da prosledi poruku nekom višem nivou. Ostale karakteristike inteligentnih senzora uključuju u njihovu mogućnost samotestiranje, promenljive kalibracije, poboljšano odbijanje lažnih ulaza (šumovi), i lakše postavljanje i upotrebu.
U slučaju kontrola u zgradama i fabrikama sistemi su veoma veliki i infrastruktura senzora je veoma skupa. Inteligentni senzori ne samo što obezbeđuju znatne uštede tako što redukuju cenu za kalibriranje i opreme za upravljanje (monitoring), takode obezbeđuju pouzdanost i sigurnost zato što lokalna kontrola senzora postoji čak i ako se mrežna kontrola pokvari.

U slučaju velikih sistema za akviziciju postoje veće potrebe za redukciju veličine i dužine kablova (naročito kod upotrebe aviona i brodova) i za samoidentifikaciju senzora. Pošto senzorski kanali kod velikih sistema za akviziciju mogu da broje desetice i hiljade, tada redukcija u broju kablova može biti veoma bitna. Redukcija u kabliranju može biti veoma bitna i kod malih sistema. Bez obzira na veličinu sistema samoidentifikacija obezbeđuje znatnu uštedu u učinku, reduciranje šansi za pojavu greške, zapis serijskih brojeva, faktora kalibracije i zahtevanim kalibracionim podacima za sve senzore.
Inteligentni senzori se koriste u raznim industrijskim granama od avioindustrije, autoindustrije, biomedicine, građevine, industrijske automatizacije i kontrole procesa za nadgledanje (monitoring) okoline. Ulaskom mikroelektronike, mikroprocesorske tehnologije u proizvodnju senzora je omogućilo mnogo veću funkcionalnost, kao što je mogućnost ugradnje inteligentne i digitalne komunikacije u senzoru. To omogućuje translataciju senzora u digitalni domen. Tradicionalno izlazi iz senzora su analogni signali koji se dalje vode u neki instrumentacioni sistem ili se direktno prikazuju (npr. na nekom displeju). Ta migracija senzora iz analogni u digitalni domen je donela bitne prednosti za korisnike, kao npr. digitalni senzori su mnogo otporniji na električne šumove i mogu znatno da uproste svoje šeme veza. Proizvođači inteligentnih senzora se trude da naprave inteligentne senzore koji malo koštaju, a da zadovolje potrebe sve složenijih aplikacija i da se pritom njima lako rukuje. Umrežavanje senzora, tehnologije koja je stvorena modifikacijom umrežavanja PC računara polako zauzima sve oblasti u industrijskim zemljama i uzrokuje značajan napredak u tzv. biznisu senzora.
Inteligentni instrumenti ne mogu da egzistiraju bez mikroprocesora. Mogućnost da na ploči postoji procesor koji će da obrađuje velike količine podataka na lokalnom nivou je esencijalna karakteristika za njihove operacije. Upotreba mikrosenzora naročito doprinosi minijaturizaciji i modularizaciji senzorskog pakovanja.