Click here to load reader

PRIMENJENA ELEKTROMETROLOGIJA

  • View
    234

  • Download
    3

Embed Size (px)

Text of PRIMENJENA ELEKTROMETROLOGIJA

PRIMENJENA ELEKTROMETROLOGIJAZnaajno mesto u savremenoj elektronici imaju elektronska kola, uredjaji i sistemi ijim se posredovanjem ostvaruje prenos, obrada, adaptacija ili pretvaranje informacija. Veina fizikih, hemijskih i drugih veliina, medjutim, nema elektrinu prirodu pa otuda prenos i obrada informacija vezanih za takve veliine poinje njihovim pretvaranjem u elektrine signale. Svaka informacija, predstavljena elektrinim signalom, moe biti prevedena u drugi pogodniji oblik elektrinog signala u cilju sigurnog i tanog prenosa odnosno obrade, kao i zbog zahtevanog oblika izlazne informacije. Metodi pretvaranja informacija iz jednog oblika u drugi, kao i elektronska kola i uredjaji kojima se to ostvaruje, raznovrsni su i mnogobrojni o emu svedoe savremeni izvori strune i naune literature. Razvoj mikroelektronskih komponenata, a posebno mikroraunara, izazvao je pravu revoluciju u primeni i realizaciji sistema u kojima se koriste raunari. Objektivno, danas ne postoji ni jedna oblast ljudske delatnosti ni proizvodnje u kojima se oni ne koriste. Naravno, da bi se raunari mogli da se koriste za kontrolu upravljanja, merenja i slino neophodno je da izmedju raunara i onoga ime se upravlja, to se meri ili kontrolie, postoji elektronski sistem ili kola koja omoguavaju konverziju kontrolisanih veliina u digitalni domen podataka. Najvei broj veliina koje treba prevesti u digitalni domen je neelektrinog karaktera, odnosno, pored pripadanja analognom domenu, to su veliine koje najpre treba prevesti u elektrini domen a potom konverzijom u digitalni domen koji je prihvatljiv za raunar. Zbog toga se danas velika nauna i struna panja posveuje projektovanju i realizaciji sistema, odnosno, konvertora koji mogu neelektrine veliine prevesti u digitalni domen. Imajui u vidu da je broj neelektrinih veliina koje treba konvertovati veliki, kao i da ne postoje senzori koji bi u irokom opsegu veliine stabilno i linearno pretvarali veliinu u elektrini domen, teko je nai zadovoljavajue hardversko reenje koje bi omoguilo optimalne prenosne karakteristike konverzije. Otuda se danas javljaju razliita reenja koja, pored hardvera, sadre i odredjenu softversku podrku, ili ak i mikroraunar, kojim se poboljavaju karakteristike konverzije. U literaturi se oni mogu sresti pod nazivom "inteligentni senzori", "programabilni senzori" i slino. Po svom karakteru informacije mogu biti analogne, vremenske i digitalne po emu je i izvrena podela u grupe domena. U analognim domenima informacija je predstavljena intenzitetom neke od prirodnih veliina, amplitudom napona, struje itd. Veliki broj elektronskih pretvaraa pretvara neelektrine veliine u neki od analognih elektrinih domena pri emu se karakter informacija ne menja, imajui u vidu da su skoro sve neelektrine veliine analogne.

Slika. 1. Koncept domena informacija.

Elektronska kola koja obavljaju konverziju analognih veliina u neki od vremenskih ili digitalnih domena menjaju karakter informacija i najee se oznaavaju optim nazivom konvertori. Od posebno velikog znaaja je konverzija analognih domena u digitalne (A/D konverzija) imajui u vidu prednosti digitalnog oblika signala, kao to su visoka tanost koja se ne smanjuje pri prenosu i obradi informacija i koja iskljuivo zavisi od raspoloivog broja bitova za kodiranje, velike brzine obrade, mali uticaj umova i pogodan oblik izlazne informacije-broja za vizuelnu i drugu predstavu. Osim toga, digitalna elektronska kola su znatno pouzdanija od analognih, ali je ova njihova prednost plaena uglavnom sloenijom strukturom. Kodiranje informacija veliinama vremenskog domena (frekvencija, vremenski interval, faza) predstavlja prirodni prelaz izmedju analognih i digitalnih domena informacija. Naime, oblik elektrinog signala vremenskog domena ima osobine i analognog (kontinualna promena) i digitalnog signala (dva naponska nivoa sa brzim prelazima izmedju njih to podudara sa rednom digitalnom informacijom).

KONTROLA PROCESAElektronska kontrola velikog broja procesa u industriji danas, predmet je interesovanja iroke strune i naune javnosti. Prikupljanje informacija o procesu podrazumeva merenje parametara procesa kao to je temperatura, pritisak, vlanost itd., od vanosti za kontrolu i upravljanje procesom. Na slici 1.1 je prikazana ematska organizacija prikupljanja informacija i kontrole procesa primenom senzora i aktuatora. Evolucija mikroelektronskih kola poslednjih decenija omoguila je razvoj monog alata za obradu signala elektrinog domena. Ovo se posebno odnosi na kola i sisteme za digitalnu obradu signala. Imajui u vidu neelektrini karakter veine parametara kontrolisanog procesa neophodno je na prvom mestu izvriti njihovu konverziju u elektrini domen podataka pomou senzora neelektrinih veliina. Primenom takvih pretvaraa, veliine mehanikog, termikog, hemijskog, magnetskog, optikog i drugih neelektrinih domena mogu dalje biti tretirane elektronskim sofisticiranim kolima visokog stepena integracije (VLSI) za digitalnu obradu signala. Kontrola procesa, promenom intenziteta nekog od parametara, ostvaruje se uz pomo elektrinih, upravljanih aktuatora ili mikroaktuatora u kolu povratne sprege sistema sa slike 1.1 na bazi poredjenja zadatih i merenih vrednosti parametara procesa. Ulazni senzori neelektrinih veliina zasnovani su na velikom broju raznovrsnih, fundamentalnih fizikih principa. Svaki od senzora, s toga, poseduje jedinstvene karakteristike, ponovljive u duem vremenskom roku, to zahteva projektovanje namenskih elektronskih interfejsa. Prema tome, sa stanovita realizacije, sistem sa slike 1.1 moe biti veoma sloen u zavisnosti od broja i prirode kontrolisanih parametara i sa velikim brojem medjuveza to smanjuje pouzdanost sistema i oteava odravanje.

Slika 1.1. Prikupljanje informacija i kontrola procesa primenom senzora i aktuatora.

Slika1.2. Bus arhitektura sistema za prikupljanje podataka i kontrolu procesa. Bus arhitektura prikazana na slici 1.2 predstavlja praktinije i pouzdanije reenje u odnosu na prethodnu tkzv. zvezda konfiguraciju imajui u vidu manji broj medjuveza, mogunost multipleksa uredjaja, lako odravanje i eventualno proirenje sistema. ta vie, takva organizacija pojednostavljuje podelu kompleksnog sistema na visokom nivou komunikacije na podsisteme koji koriste niski nivo bus komunikacije. Komunikacija senzora i aktuatora sa digitalnim kontrolerom ostvaruje se standardiziranim signalima i protokolima na niskom komunikacionom nivou dok kontroler komunicira sa npr. korisnikim interfejsom na viem komunikacionom nivou. Slika 1.3 ilustruje sistem podeljen na dva podsistema, podsistem za prikupljanje i obradu podataka sa senzora i podsistem za kontrolu i upravljanje aktuatorima.

Slika 1.3. Sistem podeljen na dva podsistema. Za realizaciju poslednja dva opisana sistema neophodno je integrisati mnoge elektronske funkcije sa senzorskim elementima i mikroaktuatorima. Uredjaji takve vrste su relativno novijeg datuma i u literaturi poznati pod nazivom inteligentni senzori i aktuatori (Smart Sensors & Smart Actuators). Uopteno govorei, senzori neelektrinih veliina su mikroelementi dok veina aktuatora, iskljuujui mikroaktuatore, za rad troi veu energiju i prostor zbog ega je neophodno obezbediti uglavnom snane

upravljake signale za njihovu pobudu. Poveana potronja i sloenost takvih sistema cena je potpune kontrole nad tehniko-tehnolokim procesom. Realizacija inteligentnih senzora u tehnologiji standardnih integrisanih kola ili kompatibilnoj ne samo da smanjuje cenu senzora u masovnoj proizvodnji ve olakava integraciju potrebnih elektronskih funkcija s osetljivim elementom.

SENZORI NEELEKTRINIH VELIINAKako su izlazni senzorski signali uglavnom analognog karaktera a po svojoj prirodi mogu biti veoma razliiti to njihova standardizacija u elektrinom domenu zahteva posebno projektovana elektronska kola za obradu signala kao to su pojaavai, operi, multipleksori, modulatori, demodulatori i slino. S tim u vezi, senzori neelektrinih veliina se mogu uopteno podeliti na dve grupe: -pasivni (moduliui) senzori -aktivni (generiui) senzori Senzori moduliueg tipa zahtevaju dodatni izvor energije, strujni ili naponski, za dobijanje elektrinog signala na bazi modulacije nekog od elektrinih parametara, otpornosti, kapacitivnosti, induktivnosti. Izlazni elektrini signal otpornikog senzora je struja ili napon pa je za standardizaciju takvog signala dovoljan najee pojaava ili atenuator. Kapacitivni i induktivni senzori se uglavnom ugradjuju u kolima oscilatora a njihov elektrini odziv je neki od signala vremenskog domena, frekvencija, faza, vremenski interval.izvor energije el. domen neelektri~ni domen el. domen

neelektri~ni domen

A neel. ulaz

DC izlaz/ frekvencija neel. ulaz

A

DC izlaz/ frekvencija

(a)

neelektri~ni domen +

el. domen

(b)

A neel. ulaz

DC izlaz

(c)

Slika 2-3 Slike 2-3a i b prikazuju naine napajanja pasivnih senzora nezavisnim izvorom energije ili energijom povratne sprege. Aktivni senzori pripadaju klasi strujnih ili naponskih generatora signala kao to su termoparovi i fotogeneratori ija izlazna elektrina veliina, struja ili napon, je u funkciji neelektrine ulazne veliine. Signali ove vrste senzora mogu biti direktno pojaavani i standardizirani, slika 2-3c. Zbog sporopromenljivosti jednog broja najee kontrolisanih neelektrinih veliina, za konverziju senzorskih signala u digitalni domen zahteva se uglavnom umerena brzina konverzije, odnosno, odmeravanja. Pri tome, linearnost konverzije je od veeg znaaja u odnosu na ofset greku i greku pojaanja. Takodje, veliki broj senzora zahteva rezoluciju konverzije izmedju 10 i 14 bitova za pokrivanje njihovog dinamikog opsega i za zadovoljavajuu tanost. Samo pojedine klase senzora iskazuju potrebu za ekstra rezolucijom. Izbor A/D konvertora za implementaciju u inteligentnim senzorima ogranien je na primer povrinom integrisanog kola kao i eventualnom potrebom za p