Inteligentní senzory

1. Inteligentní senzory Ing. Soňa Orlíková Ústav automatizace a měřicí techniky FEKT VUT Brno

2. Definice senzoru • Senzor je vstupní blok měřicího řetězce, který je v přímém styku s měřeným prostředím. • Citlivá část senzoru je označována jako čidlo. • Senzor snímá měřenou neelektrickou veličinu a převádí ji na měřenou (ve většině případů elektrickou) veličinu.

3. Blokové schéma měřicího řetězce Senzor Měřicí obvod a zesilovač Obvody pro zpracování signálu A/Č Mikropočítač

4. Inteligentní senzor • Označuje se také jako smart senzor • Inteligentní senzor v sobě zahrnuje vlastní čidlo, obvody pro úpravu signálu, A/Č převodník, mikroprocesor pro zpracování a analýzu signálu a obvody pro komunikaci s okolím.

5. Číslicový výstup RS 232 (RS 485) Převodník (čidlo) Elektrické obvody A/Č převodník P Komunikační rozhraní Neelektrická veličina (např. tlak) Analogový výstup (I = 4 – 20 mA) Napájecí zdroj Ucc Blokové schéma inteligentního senzoru

6. Struktura inteligentního senzoru • Vstupní část - zajišťuje vstup měřených veličin, převádí je na elektrickou veličinu a tu převádí na vhodný, případně i normovaný elektrický signál. • Vnitřní část - zpracovává vstupní signál, zajišťuje nastavení nulové hodnoty, kompenzaci vlivů okolí (např. teploty), linearizaci v celém rozsahu vstupních veličin, autokalibraci měřicí funkce, autodiagnostické funkce. • Výstupní část - zajišťuje komunikaci senzoru s následnými zařízeními, signalizaci vlastní funkce a stavu, případně převod číslicového signálu na normalizovaný analogový výstupní signál, signalizaci měřené veličiny.

7. Požadavky na inteligenci v jednotlivých částech U vstupní části– převod neelektrické veličiny na elektrickou, zesílení a filtrace signálu, linearizace převodní charakteristiky, normování signálu, ochrana proti působení parazitních vlivů, atd. Ve vnitřní části – A/Č převod, autokalibrace elektrické části měřicího řetězce, aritmetické operace, číslicová linearizace, statistické vyhodnocování naměřených dat, hlídání mezí, možnost přidání umělé inteligence. Ve výstupní části – unifikace analogových výstupních signálů (ve většině případů je unifikace standardizována na hodnoty 0 – 10 V, 0 – 20 mA a 4 – 20 mA), komunikace prostřednictvím integrovaného rozhraní se sběrnicovým systémem, číslicově – analogový převod, apod.

8. Výhody inteligentních senzorů 1/2 Omezení a kompenzace rušivých vlivů na měřicí převodník a výstupní signál (např. vliv teploty, vibrací, rušení při přenosu, atd.) pomocí číslicového přenosu informace. Rozměrově kompaktní konstrukce s jediným napájením a se standardizovaným výstupním signálem (analogovým, číslicovým nebo kombinovaným). Přesun úlohy měření a zpracování do místa senzoru - lokální předzpracování a prvotní testování platnosti naměřených údajů (linearizace, meze, trendy, jednoduchá filtrace, autodiagnostika ...)

9. Výhody inteligentních senzorů 2/2 Kontrola integrity údajů (např. vyloučením z fyzikálního hlediska rozporných výsledků). Dálková diagnostika senzorů pomocí obousměrné komunikace po sběrnicích. Dálková diagnostika usnadňuje rozšíření IS do automobilového a leteckého průmyslu - diagnostika senzorů na těžko přístupných místech. Možnost zapojení do sítě. Umožněním adresace senzorů lze jednotlivé senzory centrálně nastavovat a testovat. Možnost decentralizovaného zpracování naměřených hodnot. V rozsáhlých měřicích systémech dochází k výraznému snížení zátěže centrálního subsystému, uvolněný výkon centra lze využít na jiné účely.

10. Nevýhody inteligentních senzorů • Cena • Omezené použití v těžkých podmínkách (agresivní prostředí, vysoké teploty, magnetické pole, rušení, atd.)

11. Použití inteligentních senzorů • Teplota • Tlak • Síla • Průtok • Vibrace • Zrychlení • Atd.

12. Příklad inteligentního senzoru průtoku • Příklad kompenzovaného hmotnostního průtokoměru – Mass ProBar od firmy Dieterich Standard Inc. (Rosemount, Inc.) • Základem je senzor průtoku – Annubar Diamont II+ • Mass ProBar je velmi přesný průtokoměr určený k měření hmotnostního průtoku kapalin, plynů a páry v potrubí od 13 – 1825 mm.

13. Složení Mass ProBar • Primární čidlo Annubar • Ventilová souprava • Víceparametrový převodník Mass ProBarr měří tlak, teplotu a tlakovou diferenci v jednom převodníku, čímž se sníží náklady na instalaci. Elektronika víceparametrového převodníku umožňuje měřit tři procesní proměnné a vypočítat hmotnostní průtok. S využitím této dynamické kompenzace je dosažena přesnost ±1,3 % z hmotnostního průtoku a rozsah průtoků 8:1.

14. Víceparametrová elektronika měří tlak, teplotu a tlakovou diferenci a počítá skutečný hmotnostní průtok. Výstupem je hmotnostní průtok s protokolem HART, který je možno rozdělit na výstupy 4 – 20 mA pro všechny proměnné Integrovaná ventilová souprava Připojení pomocí přírub nebo patentovaného systému Ověřený senzor Annubar snímá profil průtoku. Integrovaný odporový teploměr uvnitř senzoru měří teplotu média. Mass ProBar

15. Procesní proměnné • Teplota je měřena pomocí platinového Pt100 teploměru, který je pro rozměry od 100 mm integrálně umístěn v Mass ProBaru. Komora senzoru Annubar je izolována od procesního média a slouží jako ochranná jímka. • Statický tlak je měřen na vysokotlaké straně senzoru Mass ProBar. • Tlaková diference je snímána senzorem Annubar Diamond II+.

16. Konfigurace a práce senzoru • Průtokoměr se konfiguruje pomocí software, kde jsou uložena data o 125 tekutinách podle AICHE. • Specifické řešení pro danou aplikaci je vloženo do elektroniky Mass ProBaru. • Hmotnostní průtokoměr Mass ProBar snímá celý profil průtoku a vytváří přesný signál tlakové diference. • Pro výpočet hmotnostního průtoku se využívá rovnice kompenzující všechny proměnné.