1. Sisteme de monotorizare distribuite folosite la nave 1.1 Sisteme achizitii date. Noțiuni generale 1.1.1 Definiție. Generalități. Achiziția de date… [301740]

Licență

1. Sisteme de monotorizare distribuite folosite la nave 1.1 Sisteme achizitii date. Noțiuni generale 1.1.1 Definiție. Generalități. Achiziția de date… [301740]

Byadmin ianuarie 1, 2024

1. Sisteme de monotorizare distribuite folosite la nave

1.1 Sisteme achizitii date. Noțiuni generale

1.1.1 Definiție. Generalități.

Achiziția de date reprezintă procesul de obținere a datelor de la o altă sursă de obicei una exterioară a sistemului. [anonimizat], transmisă și prelucrată în vederea folosirii sale ulterioare ca date de comandă (control). Prelucrarea informației poate consta in operații simple (comparări), până la prelucrări matematice complicate (integrări, diferențieri, medieri, [anonimizat].).

Achiziția de date denumește o ramură a ingineriei ce se ocupă cu colectarea informației de la un număr de surse numerice și/[anonimizat]-o [anonimizat], [anonimizat], afișaj alfanumeric sau la o imprimanta.

[anonimizat]. [anonimizat] (curent, tensiune etc.), prin intermediul circuitelor de condiționare. Pentru controlul numeric al procesului fizic se impune realizarea conversiei semnalelor analogice în semnale numerice acceptate de sistemul de prelucrare numerică. Semnalele numerice se obțin prin prelevarea la momente de timp date, a [anonimizat]. Semnalele electrice obținute sunt folosite pentru comanda elementelor de execuție și de control ([anonimizat], electrovalve etc.). Pentru comanda cu semnale analogice a unor elemente de execuție și de control (motoare, înregistratoare etc.) [anonimizat].

Achiziția de date este întâlnită în foarte multe din domeniile de activitate din zilele noastre:

– în industrie: în cadrul calculatoarelor de proces care supraveghează și reglează instalații tehnologice;

– în cercetarea științifică: pentru măsurarea și prelucrarea unui spectru extrem de larg de mărimi electrice și neelectrice;

– în comunicații: [anonimizat];

– în calculatoare de bord ce echipează multe din automobilele moderne.

2 [anonimizat]:

– [anonimizat];

– măsurarea semnalelor generate de senzori în scopul extragerii informației;

– analizarea datelor și prezentarea lor într-o formă utilizabilă;

Cele mai multe dintre sistemele moderne de achiziție de date utilizează un calculator personal pe post de controler. [anonimizat] a unui sistem de achiziție de date ce are la bază un PC este următoarea:

-[anonimizat];

-circuite de adaptare a [anonimizat]/sau amplificarea semnalului provenit de la traductor;

-un subsistem de achiziție de date ([anonimizat]);

-un sistem de calcul;

-soft pentru achiziția de date.

Cele mai comune componente ale unui sistem de achiziție de date sunt:

Senzorii sunt dispozitive ce convertesc mărimea de măsurat (măsurandul) într-un semnal electric proporțional.

Circuitele de condiționare a semnalului vor cuprinde orice dispozitiv ce convertește semnalul provenit de la senzor la un nivel acceptat de A/D (convertor analog digital). Aceste circuite sunt de obicei formate din amplificatoare, filtre și convertoare c.a / c.c.

Filtrele anti-aliasing sunt folosite la îndepărtarea, (tăierea) semnalelor de frecvență prea mare ce nu mai pot fi convertite în mod corect de convertorul A/D folosit.

Circuite de eșantionare și reținere sunt circuite ce se folosesc înainte de multiplexare, la eșantionarea semnalelor provenite simultan de la mai multe canale sau înainte de convertorul A/D – circuitele de reținere – pentru a preveni modificarea semnalului de la intrarea convertorului atât timp cat încă mai are aloc conversia lui din analog în digital.

Multiplexorul (MUX) este un selector ce conectează pe rând câte un canal la convertorul A/D.

Convertorul analog digital este inima sistemului de achiziție – convertește semnalul analogic într-un semnal digital. În principal conversia analog-digitală este o operație de comparare, în care semnalul este comparat cu o valoare de referință și este convertit într-o fracție, care apoi este reprezentată sub forma unui număr codificat digital.

Generatorul de clock este o sursă pentru toate impulsurile de clock necesare tuturor dispozitivelor in vederea unei funcționări corecte.

Convertorul digital analogic poate fi poate fi utilizat în momentul în care se dorește obținerea unor semnale analogice de control

Interfața este un circuit ce conectează un element de un altul, de exemplu să conecteze un A/D de magistrala (bus-ul) unui procesor.

Transmiterea datelor se face conform standardelor, iar modalitatile de transmisie se adapteaza în functie de topologia ariei în care se desfasoara procesul precum si de amplasarea centrului de decizie. Astfel se poate folosii pentru transmisia de date standardul RS 232, 485 etc. (pentru transmisia seriala, în cazul în care distanta de transmisie este mai mica decât 200 m), transmisia pe portul paralel (prin rețea), transmisia prin MODEM (pentru distante mari) si nu în ultimul rând transmisia radio sau GSM.

Softul pentru achiziția de date. Hardul pentru achiziția de date este complet inutil fără soft – iar hardul pentru achiziție sprijinit de soft slab este cvasi-inutil. De aceea, în ultima vreme s-a produs o veritabilă explozie de produse de soft destinate acestui domeniu. Alături de perfecționarea continuă a vitezei și rezoluției pe care o doresc utilizatorii echipamentelor de măsură și testare, programarea aplicațiilor destinate achiziției de date a fost mult ușurată de apariția pachetelor de soft ce rulează sub Windows le oferă pe lângă o interfață ușor de utilizat – care este familiară multor ingineri, o posibilitate de standardizare care facilitează schimburile de date.

În consecință softul devine adesea un factor esențial (uneori chiar determinant) în proiectarea unor sisteme de achiziție de date.

1.2 Sisteme IAMCS (Integrated Alarm, Monitoring and Control System).

Sistemele integrate de automatizare și navigație instalate la bordul navelor maritime comerciale au rolul de a asigura controlul și monitorizarea tuturor proceselor care se desfășoară la bordul unei nave și, de regulă, sunt formate din următoarele sisteme:

sistemul integrat de navigație;

sistemul de control și monitorizare a sistemelor (instalațiilor) de propulsie;

sistemul de control și monitorizare a magaziilor de marfă (sau mărfii);

sistemul de monitorizare a containerelor frigorifice;

sistemul de management al alimentării cu energie;

sistemul de control al propulsiei și al propulsiei electrice;

sistemul de poziționare dinamică.

Un astfel de sistem este „Mega-Guard” Ship Automation and Navigation System, produs de PRAXIS Automation Technology din Olanda.

1.2.1 Sistemul integrat de navigație este format din minim 3 stații de lucru multifuncționale iar fiecare stație îndeplinește următoarele funcțiuni (fig. 1.1):

afișarea pe harta electronică a informației navale primită de la radarele în banda S (2,3 – 3,7 GHz) și în banda X (8,5 – 10,7 GHz.) (conectarea cu ECDIS-ul);

afișarea și gestionarea alarmelor (sistem centralizat de alarmare);

conectarea cu ECDIS Electronic Chart Display and Information System

realizarea unui sistem integrat de control și monitorizare prin conectarea cu aparatura de navigație de la bord / senzori (girocompas, GPS (Global Positioning System), AIS (Automatic Information System), loch, pilot automat etc.).

Stațiile de lucru sunt conectate prin intermediul unei rețele Ethernet (principale și de backup), rețea prin care sunt conectate și cele două radare la acestea.

Informația de la aparatura / senzorii de navigație se transmite la stațiile de lucru prin intermediul legături seriale de tip NMEA-0183.

Fig. 1.1 Sistemul integrat de navigație

1.2.2 Sistemul de control și monitorizare a sistemelor (instalațiilor) de propulsie

Sistemul permite monitorizarea senzorilor și alarmelor sistemului (instalației) de propulsie precum și controlul diferitelor procese din cadrul acestuia (turație, temperatura combustibil, presiune combustibil, temperatura lichidului de răcire, presiunea lichidului de răcire etc.) prin intermediul senzorilor (traductoare termorezistive metalice, termocuplu etc.) și anumitor elemente de execuție (pompe etc.), figura 1.2. Stațiile de lucru comunică cu blocurile de procesare a semnalelor prin intermediul unei rețele Fieldbus.

Fig. 1.2 Sistemul de control și monitorizare a sistemelor (instalațiilor) de propulsie.

Un rol important în funcționarea sistemului de control și monitorizare a sistemelor (instalațiilor) de propulsie îl au blocurile de monitorizare și procesare distribuite (fig.1.3). Blocurile de monitorizare și procesare distribuite sunt echipate cu module de intrare / ieșire (module de procesare și control) ce îndeplinesc funcții de control, alarmare și monitorizare ca un tot unitar – procesor de control (fig. 1.3).

Aceste module sunt conectare pe șine DIN în apropierea senzorilor și elementelor de comandă în scopul de a reduce lungimea cablurilor de conectare. Fiecare canal de intrare și de ieșire este echipat cu un LED pentru a indica o alarmă sau starea de funcționare, iar canalul se identifică printr-o etichetă text.

Fig. 1.3 Module de procesare și control – procesor de control

Un singur procesor de control este format din următoarele module:

module de intrare / ieșire;

panoul de control pentru operator;

2 conexiuni de comunicație serială – intrare / ieșire (Fieldbus, magistrale Ethernet sau CAN- Controller Area Network).

Acesta are o capacitate maximă de 544 de canale intrare/ieșire. Toate funcțiile procesorului de control sunt controlate de un microprocesor pe 32 de biți.

Toți senzorii și elementele de comandă de la bordul navei pot fi conectate direct la unul din următoarele module de intrare / ieșire:

module I/O cu intrări analogice;

module I/O cu intrări digitale și ieșire tip releu;

module I/O cu intrări digitale;

module I/O cu intrări analogice și ieșiri analogice și ieșiri tip releu;

module I/O cu intrări și ieșiri mixte (DI, AI, DO, AO);

module I/O cu intrări și ieșiri pentru managementul alimentării cu energie.

1.2.3 Sistemul de control și monitorizare a magaziilor de marfă

Acest sistem permite monitorizarea automată a întregului proces de încărcare / descărcare a mărfii în / din magaziile navei (pompe, supape etc.), figura 1.4.

Fig. 1.4 Sistemul de control și monitorizare a magaziilor de marfă (sau mărfii)

Un rol important în funcționarea acestui sistem îl au senzorii instalați la bordul navei în funcție de tipul de marfă transportată (fig. 1.5 și 1.6).

Fig. 1.5 Senzori pentru marfă lichidă.

În figurile 1.5 și 1.6 prescurtările sunt:

FC/FD – Mini Float / Magnetic Float Level Switch (Mini flotor / flotor magnetic de nivel cu comutator);

FG – Magnetic Float Level Transmitter (Transmitatorul pentru flotor magnetic de nivel);

FF – Side Mounting Float Switch;

FA/FB – Cable Float Level Switch;

SP – Themal Dispersion Flow Switch;

SF – Paddle Flow Switch;

SD – Optical Level Switch;

SE – Rotary Paddle Level Switch;

SA – Capacitance Level Switch;

EC – Pressure Level Transmitter;

LR – Loop Power Indicator;

SC – Vibrating Probe Level Switch;

SC – Tuning Fork Level Switch;

EB – RF-Capacitance Level Transmitter;

SB – RF-Capacitance / Admittance Level Switch;

EG – Magnetostrictive Level Transmitter;

EF – By-Pass Level Transmitter;

MEF – Mini By-Pass Level Transmitter;

EA – Ultrasonic Level Transmitter;

JFR – FMCW Radar Level Transmitter;

EE – Electromechanical Level Measuring System;

ED – Speed Monitor;

SRT/SRS – Conveyer Belt Misalignment Switch & Safety Cable Pull Switch;

PB/PM – Microprocessor Based Bargraphic Display Scaling Meter;

BRD/AE – Valve and Controller for Dust Collector System;

BAS/BAH/BVP – Air Hammer;

BVK/BVR/BVT – Pneumatic Vibrator.

Fig. 1.6 Senzori pentru marfă solidă

1.2.4 Sistemul de management al alimentării cu energie electrică

Sistemul de management al alimentării cu energie electrică realizează controlul și protecția diesel-generatoarelor precum și managementul alimentării cu energie electrică. În schema din figura 1.7 fiecare diesel-generator este echipat cu un sistem PMS propriu (PMS – Power Management System) ce este conectat la un panou de comandă. Panoul de comandă are rolul de a permite citirea și setarea parametrilor generatorului. Aceste operațiuni se pot realiza și centralizat de la o stație de lucru a operatorului.

Acest sistem îndeplinește următoarele funcțiuni:

conectarea automată sau manuală a generatorului la rețeaua bordului;

sincronizarea automată;

reglarea frecvenței;

măsurarea puterii (3 faze);

cuplarea și decuplarea consumatorilor;

monitorizarea parametrilor critici ai generatorului: supratensiune, suprasarcină; supracreșterea frecvenței etc.;

protecția generatorului etc.

Sistemul lucrează în două regimuri: manual și automat.

Push butoanele „Start”, „Stop”, „Increase” și „Decrease” sunt active numai în modul „manual”. Prin apăsarea push butonului „Start” se va porni diesel-generatorul. Când diesel generatorul a pornit prin apăsarea push butonului „CB Close” sistemul va sincroniza generatorul cu rețeaua bordului. Prin apăsarea push butonului „CB Open” generatorul se va deconecta de la rețeaua bordului și va fi oprit prin apăsarea push butonului „Stop”.

Fig. 1.7 Sistemul de management al alimentării cu energiei.

1.2.5 Sistemul de control al propulsiei

Acest sistem realizează controlul automat al motoarelor principale, al reductoarelor și al elicei cu pas variabil. Comanda / controlul motoarelor principale se referă la comanda locală, comanda de la distanță (prin intermediul telegrafului), sistemul de protecție a motoarelor principale etc.

Fig. 1.8 Sistemul de control al propulsiei.

1.2.6 Sistemul de poziționare dinamică

Sistemul de poziționare dinamică are rolul de a menține în mod automat nava stabilă într-un anumit punct, pe baza informațiilor referitoare la drumul navei, viteza vântului, poziția navei etc. prin acționarea elicelor, thrusterelor și cârmei.

Fig. 1.9 Sistemul de poziționare dinamică

CAPITOLUL I

Traductoare

2. Definire, structura generală

2.1 Notiuni generale.

Conducerea unui proces presupune cunoașterea unor informații cât mai corecte și cât mai complete asupra parametrilor mărimilor fizice ce caracterizează acel proces. Pe baza indicațiilor aparatelor, operatorul uman supraveghează procesul și ia decizii corespunzătoare.

În cazul unui proces automatizat, conducerea sistemului se face fără intervenția omului, pe baza informațiilor culese din proces cu ajutorul traductoarelor.

Senzorul (elementul sensibil) este elementul component al unui sistem automat sau al unui aparat de măsurat care are rolul de a transforma mărimea de măsurat de anumită natură, într-un semnal purtător de informație – pentru sistemul automat – sau într-o mărime ce poate fi percepută de operatorul uman – pentru aparatul de măsurat.

Nivelul semnalului nu este compatibil, în form brută, cu nivelul semnalelor cu care operează sistemul automat. De aceea se introduce un element auxiliar numit adaptor. În principiu, senzorul și adaptorul alcătuiesc o unitate numit traductor care este un element de bază pentru orice instalație automatizată.

Traductoarele pot fi definite deci ca dispozitive care realizează conversia unor mărimi fizice (temperatura, deplasare, presiune, forță , etc.) în alte mărimi fizice, cel mai adesea electrice, sau a unor mărimi electrice în alte mărimi electrice, în scopul măsurării parametrilor acelor mărimi și informării, respectiv luării unor decizii în consecință.

2.2. Structura generală a unui traductor. Tipuri de traductoare

Mărimea de măsurat x este aplicat la intrarea traductorului, reprezentând parametrul măsurat (temperatură, debit, presiune, turație, nivel, viteză, forță etc). Mărimea de ieșire y reprezintă valoarea mărimii măsurate, exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune).

Elementele componente ale traductorului sunt:

A. Elementul sensibil ES (detector, captor, senzor) este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare. El are capacitatea de a elimina sau reduce la minim influențele exercitate de alte mărimi decât cea care se măsoară și care acționează simultan asupra traductorului. Sub acțiunea mărimii de intrare are loc o modificare de stare a elementului sensibil. Modificarea de stare presupune un consum energetic care poate fi luat:

din proces, în raport cu fenomenul fizic pe care se bazează detecția, și de puterea asociată mărimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieșirea elementului sensibil; (de exemplu: tensiunea electromotoare generată la bornele unui termocuplu în funcție de temperatură);

de la o sursă auxiliară de energie, când modificarea de stare are ca efect variații ale unor parametrii de material.

Indiferent cum se face modificarea de stare a elementului sensibil, informația furnizată de acesta nu poate fi folosită ca atare, necesitând prelucrări ulterioare prin elemente de transmisie și adaptor.

Elementele sensibile impun și clasificarea traductoarelor care se realizează după mai
multe criterii:

a. după principiul de conversie a mărimii fizice aplicate la intrare, traductoarele pot fiparametrice și generatoare.

– Traductoarele de tip parametric (modulator) se caracterizează prin aceea că mărimea de intrare(neelectrică) determină variația unor parametrii de circuit (cum ar fi, de exemplu, rezistența electrică, capacitatea, inductanță) preluând energia electrică necesară de la surse auxiliare.

Conversia unor mărimi neelectrice – mecanice, calorice, procese chimice, radiații – se bazează pe dependenta parametrilor respectivi la unele materiale conductoare, semiconductoare sau dielectrice de aceste mărimi.

Relații ce stau la baza funcționării elementelor sensibile parametrice:

rezistența electrică a unui conductor omogen:

inductivitatea proprie a unei bobine (considerând circuitul magnetic liniar):

capacitatea unui condensator plan cu armături paralele:

Se observa ușor posibilitatea influențării valorilor acestor parametri prin modificări
geometrice (lungime, secțiune), sau prin acțiunea unor mărimi externe: temperaturi, câmpuri
magnetice, etc.

Traductoarele de tip generator (sau energetice) se caracterizează prin aceea că mărimea de intrare determină apariția la ieșire a unui semnal de o anumită energie (curent, tensiune,sarcină electrică) generată de senzor în cadrul procesului de conversie utilizând o proprietate fizică a materialului din care este realizat acesta.

Există o mare diversitate de fenomene fizice pe care se bazează realizarea de elemente
sensibile de tip generator: inducția electromagnetică, termoelectricitatea, piezoelectricitatea,
magnetostricțiunea, etc.

Pentru proiectant și constructor este utilă clasificarea după principiul de funcționare, dar pentru utilizator este mai convenabilă clasificarea elementelor sensibile după mărimile fizice pe care elementul sensibil le poate detecta.

b. după natura mărimii fizice de măsurat, ele se clasifica în tipuri care poartă denumirea domeniului de aplicație: elemente sensibile pentru deplasare, viteza, forță, debit, etc.

B. Elemente de transmisie ELT sunt elemente auxiliare care realizează conexiuni
electrice, mecanice, optice sau de altă natură în situațiile în care tehnologiile de realizare a
traductorului o impun.

De exemplu în cazul măsurării temperaturilor înalte, elementul sensibil (ES) nu poate fi plasat în aceeași unitate constructivă cu adaptorul fiind necesar astfel de un element de legătură (ELT).

Dacă mărimea generată de elementul sensibil este neadecvată pentru transmisie (cazul
transmisiilor la mare distanță) atunci elementul de transmisie conține și elemente de conversie
potrivit cerințelor impuse de canalele de transmisie.

C. Adaptorul A are rolul de a modifica (adapta) informația de la ieșirea elementului
sensibil la cerințele impuse de aparatura de automatizare utilizată.

Funcțiile realizate de adaptor sunt complexe, ele incluzând și adaptarea de nivel, putere (sau impedanță) cu referire la semnalul de ieșire, în raport cu dispozitivele de automatizare.

Adaptorul asigură conversia variațiilor de stare ale elementului sensibil în semnale
calibrate la ieșire, ce reprezintă (la o altă scară) valoarea mărimii de intrare. Deci, adaptorul
realizează operația specifică măsurării, adică comparația cu unitatea de măsură adoptată.

D. Sursa auxiliară de energie SAE, necesară în cele mai frecvente cazuri, pentru a
menaja energia semnalului util.

2.3. Legi si fenomene fizice ce stau la baza funcționării traductoarelor

• Legea conducției electrice (Ohm): tensiunea electrică la bornele unui circuit pasiv (fără surse) este egală cu produsul dintre intensitatea curentului și rezistența circuitului

• Forța electromagnetică (Lorentz): dacă într-o regiune din spațiu aducem un corp de probă încărcat cu sarcină electrică q și în acea regiune există un câmp electromagnetic(E,B), asupra corpului de probă se va exercita forța electromagnetică

• Efectul piezorezistiv: o rezistență electrică își modifică valoarea dacă materialul este supus unei solicitări mecanice. Factorul de proporționalitate – factorul de tensosensibilitate – se definește prin:

• Efect pelicular: Curentul electric alternativ se repartizează neuniform în secțiunea conductoarelor, densitatea de curent fiind maximă pe suprafața conductorului și scăzând spre interiorul acestuia. Fenomenul poartă denumirea de efect pelicular.

Efectul de ecran : În interiorul unei cavități dintr-un corp metalic, introdus într-un câmp, nu pătrunde câmpul exterior.

• Efectul de vecinătate: Comportarea unui conductor parcurs de un curent alternativ diferă de la situația când este singur sau situația în care este în prezența și a altor conductoare parcurse de curenți alternativi. Acest efect poartă denumirea de efect de vecinătate.

• Efectul piezoelectric: un cristal de o anumită configurație a rețelei cristaline, se va polariza electric după o anumită direcție dacă este supus unei solicitări mecanice după o direcție dată. Sarcina electrică ce apare pe fețele cristalului în virtutea acestui fenomen, sunt proporționale cu efortul mecanic exercitat asupra lui.

Există și efectul piezoelectric “invers”: dacă pe fețele unui cristal se aplică o sarcină electrică rezultă variații ale dimensiunilor geometrice ale acestuia.

• Efectul piroelectric: piroelectricitatea este proprietatea unor cristale anizotrope prin care polarizarea electrică spontană depinde de temperatură. Substanțele care prezintă această proprietate se numesc piroelectrice, iar apariția sarcinilor electrice la suprafața unui astfel de material în urma încălzii sau răcirii lui se numește efectul piroelectric.

Una dintre aplicațiile piroelectricității este în dispozitivele de detecție a radiațiilor infraroșii și milimetrice, folosite de exemplu în detecția de la distanță a mișcării oamenilor și animalelor. Materialele piroelectrice: cuarțul, turmalina, unele substanțe monocristaline (tantalat de litiu etc.), materiale ceramice etc.

• Efectul termoelectric : Seebeck a descoperit în 1822 că dacă temperatura contactului dintre două metale diferă de cea circuitului, apare o tensiune electromotoare termoelectrică

Efectul Thomson: Într-un conductor in care exista un gradient de temperatura și este
străbătut de un curent electric, se degajă sau se absoarbe căldură în funcție de sensul
curentului electric. Căldura degajată sau absorbită în unitatea de timp (căldura Thomson) este
proporțională cu intensitatea curentul I și cu gradientul de temperatură

Efectul Peltier: sudura a două conductoare diferite A și B. de natură diferită, se
încălzește sau se răcește în funcție de sensul curentului electric și de natura conductoarelor.
Căldura degajată sau absorbită în unitatea de timp (căldura Peltier) este proporțională cu
intensitatea curentului:

Efectul Dopller: sau

În general

Prin compatibilitatea traductoarelor produse de firme diferite, semnalul electric calibrat de ieșire are limite de variație unificate (standard).

Exemple:

Pe intrare putem avea:

– temperatura: 0 ÷ 100˚C

50 ÷ 750˚C

– presiunea: 0 ÷ 1 bari

10 ÷ 50 bari

Pe ieșire putem avea:

– răspuns în tensiune: 0 ÷ 5V; -5 ÷ +5V; -10 ÷ + 10V

– răspuns în curent: 0 ÷ 10mA; 0 ÷ 20mA; 1 ÷ 5mA; 4 ÷ 20 mA (cea mai folosită gamă)

3. Caracteristici în regim static și dinamic, locul traductorului

într-un sistem de achiziții de date

3.1 Caracteristici în regim static ale traductoarelor

Cele mai importante caracteristici metrologice ale traductorului în regim static sunt:

Funcția de transfer

O relație ideală (teoretică) de tip ieșire – stimul există în fiecare senzor. Dacă un senzor este proiectat într-un mod ideal și fabricat din materiale ideale de către specialiști ideali folosind unelte ideale, ieșirea unui astfel de senzor va reprezenta valoarea adevărată a stimulului. Relația ideală de tip ieșire – stimul este caracterizată de așa numita funcție de transfer. Această funcție poate fi una liniară sau neliniară (logaritmică, exponențială, etc.)

Funcția de transfer liniară

Caracteristica statica idealizată a unui senzor este reprezentată de relația intrare – ieșire: în care y este semnalul electric generat de senzor și poate fi o amplitudine, frecvență sau fază în funcție de proprietățile senzorului si x este valoarea stimulul. Relația de dependență poate fi exprimată analitic sau poate fi dată grafic printr-o curbă trasată pe baza perechilor de valori (x, y). Caracteristica reala a unui traductor reflecta însă și influenta unor mărimi perturbatoare, externe (temperatura, presiune umiditate, etc.), cât si interne (zgomot, îmbătrânire, etc.):. Admițând că influențele mărimilor perturbatoare nu depășesc eroarea tolerata si în ipoteza liniarității traductorului, forma uzuală pentru caracteristica statică a traductoarelor analogice este: in care x0 si y0 pot lua diverse valori pozitive sau negative, inclusiv zero, iar k este sensibilitatea senzorului.

Pentru senzori sunt tipice caracteristicile statice liniare și numai in cazuri particulare, impuse de sistemul monitorizat, apar caracteristici neliniare.

– liniară unidirecțională:

– proporțională bidirecțională:

– liniara pe porțiuni, cu zona de insensibilitate si saturație:

– liniara pe porțiuni, cu zona de insensibilitate, saturație:

Pentru traductoarele numerice caracteristica este cvasiliniară. Cu excepția discontinuităților introduse de cuantificare, care pot fi reduse la valori tolerate micșorând cuanta dx, caracteristica statica a unui traductor cu ieșire numerica poate fi considerata liniara.

În cazul unei funcții de transfer neliniare, sensibilitatea k nu este constantă (ca în cazul funcției liniare). Pentru o anumită valoare a semnalului de intrare, x0, sensibilitatea poate fi definită ca:

Să luăm ca exemplu funcția de transfer a unui senzor de radiație termica în infraroșu:

În figura de mai jos este reprezentată tridimensional funcția de transfer dată de ecuația de mai sus, unde G este o constantă, Tb este temperatura absoluta a obiectului de măsurat, Ts este temperatura absolută pe suprafața senzorului, iar V este valoarea tensiunii de ieșire a senzorului. Din relația 2.3 putem spune ca funcția are mai mult de două dimensiuni (tensiunea de ieșire depinde de doi stimuli – temperatura din interiorul obiectului de măsurat și temperatura de pe suprafața senzorului) și este neliniară (funcție parabolică de ordinul patru).

Se poate observa că fiecare valoare a tensiunii de ieșire este unic determinată de cele două valori ale temperaturilor de intrare.

Funcția de transfer tridimensională a unui senzor termic

În figura de mai jos este prezintată o funcție de transfer ideală (teoretică). În lumea reală, orice senzor are o anumită eroare. O posibilă funcție de transfer reală este reprezentată prin linie îngroșată, care în general nu este nici liniară și nici monotonă. Foarte rar o funcție de transfer reală coincide cu una ideală. Din cauza erorilor de proiectare, variațiilor de material, toleranțelor de fabricare, si a altor limitări, este foarte posibil sa avem o familie larga de funcții de transfer reale, pentru un anumit tip de senzor, chiar dacă senzorii au fost testați în condiții identice. Oricum, fiecare funcție în parte trebuie să se încadreze în limitele unei erori specifice. Limita permisă a variației funcției de transfer este ±Δ. Variația funcției de transfer reale diferă față de cea ideală cu valoarea ±δ, unde δ ≤ Δ.

Funcția de transfer

Să considerăm un stimul de valoare x. În mod ideal semnalul de ieșire va avea valoarea y, iar funcția de transfer z. Dar funcția de transfer reală va avea valoarea Z generând o ieșire de valoarea y’. Această valoare de ieșire corespunde punctului z’ de pe graficul funcției de transfer ideală, care la rândul ei determină un stimul de valoare x’, de mărime mai mică decât x. Deci, în acest exemplu, „imperfecțiunea” funcției de transfer determină o eroare de valoare –δ.

Domeniul de măsură – intervalul de variație a mărimi de intrare pentru care traductorul are precizia cerută;

– intervalul de intrare: xmax – xmin – intervalul de ieșire: ymax – ymin

Domeniul de măsurare se specifică, de regulă, chiar în denumirea traductorului.

Obs: la unele traductoare interesează și viteza de variație a mărimii de intrare.

Atunci când limita inferioară de măsurare este zero, se înțelege de fapt valoarea minimă determinată de pragul de sensibilitate al traductorului. Evident că aceasta va fi măsurată cu o eroare foarte mare. De aceea, în unele cazuri domeniul de măsurare se definește pentru intervalul în care eroarea rămâne în limite admisibile. Variațiile mărimii de intrare în intervalul de insensibilitate nu produc nici un efect asupra semnalului de ieșire.

Sensibilitatea sau coeficientul de transfer – reprezintă raportul dintre variația mărimii de ieșire și variația corespunzătoare a mărimii de intrare.

S = dy/dx ≈ ∆y/∆x

Dacă senzorul sau traductorul are o caracteristică statică de transfer liniară, atunci sensibilitatea este constantă pe intervalul de măsurare și reprezintă panta dreptei:

Sensibilitatea unui traductor este determinată de sensibilitățile elementelor componente și de modul în care acestea se combină în cadrul schemei structurale. Unul dintre avantajele elementelor cu caracteristici liniare este acela că sensibilitatea totală (intrare-ieșire) se poate deduce ușor din sensibilitățile parțiale, care sunt constante în domeniul de funcționare. Structura în circuit închis cu reacție negativă are avantajul că sensibilitatea este condiționată practic numai de precizia și stabilitatea caracteristicii unui singur element, cel de reacție. Elementul (sau elementele în serie) de pe legătura directă poate fi supus unor influențe perturbatoare fără ca aceasta să determine erori la ieșire.

Rezoluția – Anumite tipuri de traductoare au caracteristici statice care nu sunt perfect netede. Ca urmare, la variații continue ale mărimii de intrare în domeniul de măsurare, semnalul de ieșire se modifică prin salturi având valori bine precizate (variază discret). Intervalul maxim de variație al mărimii de intrare necesar pentru a determina apariția unui salt de la semnalul de ieșire se numește rezoluție.

Rezoluția poate să nu fie aceeași pe întreg domeniul de măsurare. În aceste cazuri se ia în considerare fie valoarea maximă, fie o valoare medie. (atunci când diferențele nu sunt prea mari).

Pragul de sensibilitate – Pragul de sensibilitate se definește ca fiind cea mai mică variație a mărimii de intrare care poate determina o variație sesizabilă (măsurabilă) a semnalului de ieșire. Pragul de sensibilitate este important întrucât condiționează variațiile minime la intrare care pot fi măsurate prin intermediul semnalului de ieșire. Principalii factori care determină pragul de sensibilitate sunt fluctuațiile datorate perturbațiilor interne și externe : așa numitul zgomot în circuitele electrice, frecări statice și jocurile în angrenaje pentru dispozitive mecanice.

Pentru exemplificare, trebuie arătat că în cazul traductoarelor electrice și electronice, pragul de sensibilitate nu poate fi coborât sub o anumită limită impusă de zgomotul de agitație termică, denumit zgomot propriu. La acesta se mai adaugă, în condiții normale de funcționare, zgomotul produs de fluctuațiile menționate, denumit zgomot instrumental.

Liniaritatea –În construcția aparatelor și instalațiilor de măsurare se manifestă tendința generală de a realiza o caracteristică liniară a mărimii de ieșire în funcție de mărimea de intrare măsurată. Prin aceasta se simplifică conversiunea deplasării sistemului indicator al aparatului în unități ale mărimii fizice măsurate; în cazul cel mai favorabil, când curba de etalonare trece prin origine, conversiunea se face prin simpla înmulțire cu o constantă. Citirea între diviziunile scării aparatului este cu mult mai ușoară dacă se poate aplica o interpolare liniară. De asemenea, dificultatea analizei răspunsului unui sistem de aparate se reduce mult dacă aparatele componente au caracteristici liniare.

Precizia – se exprimă prin valoarea relativă a traductorului:

(%)

unde Tr max este eroarea de măsurare (absolută) maximă a traductorului în domeniul de lucru (aceasta este diferența maximă dintre valoarea absolută a mărimii de ieșire și valoarea sa reală, obținută cu mijloace de mare precizie);

viteza de răspuns – timpul de răspuns al traductorului;

finețea – se referă la consumul de energie al traductorului.

3.2 Caracteristici dinamice

În condiții statice, un senzor este complet descris de funcția de transfer, domeniul dinamic, etc. Dar când semnalul de intrare variază, în general răspunsul senzorului nu urmează fidel funcția dată de caracteristicile statice. Motivul ar fi că atât senzorul cât și cuplajul lui la sursa de stimuli nu au un răspuns instantaneu. Cu alte cuvinte, senzorul este caracterizat de un timp de răspuns dependent de caracteristici, numite caracteristici dinamice. Astfel că, dacă senzorul nu răspunde (reacționează) imediat, este posibil ca valoarea indicată să nu corespundă stimulului aplicat în acel moment, și astfel să fie diferit de valoarea reală, semnalul de ieșire este caracterizat de o eroare dinamică. Diferența dintre erorile statice și cele dinamice constă în faptul că cele dinamice sunt întotdeauna dependente de timpul de răspuns al sistemului. Timpul de răspuns va fi funcție de numărul de elemente ce pot stoca energie în senzor. Dacă există un singur element ce stochează energie atunci sistemul este de ordinul întâi, dacă există două elemente atunci este de ordinul doi, ș.a.m.d. De exemplu energia electrică există în două forme: electrică, stocată în elementele capacitive și magnetică, stocată în elementele inductive. Energia mecanică există de asemenea de două forme: potențială, în arcuri și cinetică, stocată în obiectele aflate în mișcare. Energia termică este sub o singură formă.

Timp de calibrare (warm-up) este timpul dintre momentul aplicării semnalului de excitație și momentul în care senzorul poate funcționa la precizia specificată de fabricant. Majoritatea senzorilor au un timp de calibrare neglijabil, dar anumiți detectori, in special aceia care funcționează într-un mediu cu temperatură controlată, (termostatul – de exemplu), au nevoie de un timp de calibrare de ordinul secundelor și chiar al minutelor.

Răspunsul în frecvență este o caracteristică dinamică importantă a unui senzor, și exprimă dependența dintre amplitudinea semnalului de ieșire și viteza de variație (sau frecvența) semnalului de

Răspunsul în frecvență

Frecvența limită, fu este frecvența la care semnalul de ieșire scade sub 3dB (frecvența la care semnalul de ieșire scade cu aproximativ 30%) față de valoarea maximă pe care o poate avea pentru o aceeași valoare a stimulului aplicat. Frecvența limită, fu, este adesea denumită și frecvența de tăiere și reprezintă de fapt cea mai mare frecvență la care poate lucra un senzor.

Răspunsul în frecvență este determinat în mod direct de viteza de răspuns, care este definită ca: timpul necesar pentru a atinge 90% din valoarea semnalului în regim permanent (sau din valoarea maximă) la o valoare a semnalului de intrare egală cu treapta minimă (treapta minimă este definită de rezoluția senzorului).

Să luam de exemplu ca senzor un termometru. Acesta va fi un sistem de ordinul întâi deoarece există un singur element de stocare a energiei termice (vezi mai sus). Termometrul considerat are capacitatea termică C și rezistența termică R. Considerăm că inițial termometrul se află la temperatura camerei, 0 și este introdus dintr-o dată într-un lichid la o temperatură de F, F 0, practic aplicăm senzorului un stimul cu valoare F. Termometrul va indica la timpul t temperatura (valoarea semnalului de ieșire la timpul t este egală cu ). Fluxul de căldură pe unitatea de timp ce este absorbit de termometrul cu rezistența termică R este dat de raportul dintre diferența de temperatură F – și rezistența termică R : . Temperatura termometrului va crește în unitatea de timp cu: . Atunci

și

, unde = RC este constanta de timp.

Deci, răspunsul sistemului de ordinul întâi este:

unde Sm este ieșirea în regim permanent, t timpul.

Înlocuind t = τ, obținem:

Cu alte cuvinte, după un timp egal cu o unitate a constantei de timp, răspunsul senzorului va atinge aproximativ 63% din valoarea în regim permanent. În mod similar, se poate calcula că după trecerea a două constante de timp, răspunsul va fi de 86,5% iar după trei constante de timp 95%.

D. Frecvența limită inferioară exprimă cea mai mică frecvență a stimulului la care senzorul poate reacționa. În mod similar se definește și frecvența limită superioară și reprezintă frecvența maximă a stimulului la care senzorul mai poate reacționa.

E. Defazajul la o frecvență specificată definește întârzierea semnalului de ieșire față de momentul schimbării stimulului. Defazajul se măsoară în radiani. În cazul în care senzorul face parte dintr-un sistem de control actuator, este foarte important să-i cunoaștem caracteristicile de fază.

F. Ecuațiile de funcționare

Traductoare de ordin zero

sau

Traductoare de ordinul întâi

constanta de timp

Traductoare de ordinul doi

Unde este pulsația proprie

gradul de amortizare

sensibilitatea in regim stationar

G. Funcția de transfer este definită ca raportul dintre transformata Laplace a marimilor de ieșire Y(s) și transformata Laplace a mărimilor de intrare X(s), în condiții inițiale nule.

,

Funcția de transfer pentru traductoare de ordinul întâi

Funcția de transfer pentru traductoare de ordinul doi

Pentru caracterizarea în regim dinamic a traductoarelor se determină răspunsul lor atunci când la intrare se aplică diverse tipuri de semnale.Dintre aceste semnale se remarcă funcția treaptă, care permite studiul în domeniul timp și funcția sinusoidală de amplitudine constantă și frecvență
variabilă, care permite studiul în domeniul frecvență.

Aprecierea calităților unui traductor, în domeniul timp se face prin timpul de răspuns, timpul de creștere, supracreșterea maximă (la răspuns oscilatoriu amortizat), iar în domeniul frecvență, prin banda de frecvență.

4. Traductoare de nivel

4.1. Traductoare potențiometrice

Principiul de funcționare a traductorului potențiometric este ilustrat în figura de mai jos:

Fig. 4.1. Traductor de nivel cu potențiometru

Prin modificarea poziției cursorului potențiometrului se modifică valoarea tensiunii Ux:

sau se mai poate scrie relația

unde R este rezistența potențiometrului.

În situația în care potențiometrul este bobinat, Ux nu va avea o variație liniară cu lx.

Fig. 4.2. a. Bobinajul potențiometrului; b. Ux = f(lx) pentru un potențiometru bobinat.

Pentru deplasări unghiulare se utilizează un potențiometru de formă circulară, obținut prin bobinarea pe un suport izolant circular a unui fir rezistiv peste care alunecă un cursor, conform figurii următoare:

Rezistența la ieșirea potențiometrului și tensiunea de ieșire când acesta este alimentat la o tensiune continuă stabilizată, depind numai de unghiul α după relația:

și

4.2 Traductoare inductive

Funcționarea acestui tip de traductor constă în modificarea inductanței proprii sau mutuale prin deplasarea unui miez mobil sau prin modificarea întrefierului.

Obs: sau ).

unde:

N, numărul de spire;

S, secțiunea bobinei;

l, lungimea bobinei.

În figura 4.5 a este prezentată forma constructivă a unui traductor cu modificarea inductivității proprii.

Fig. 4.5 Traductor inductiv.

Acest traductor are dezavantajul că apar forțe parazite de atracție dintre miez și bobină.

O variantă îmbunătățită a elementului sensibil inductiv o reprezintă elementul sensibil de tip – transformator diferențial liniar variabil (TDLV) format dintr-o bobină primară și două bobine secundare situate simetric față de cea primară și plasate într-o carcasă cilindrică comună. În interiorul carcasei bobinelor se deplasează un miez feromagnetic mobil – pe distanța d, care asigură închiderea fluxului magnetic, figura 4.6.

Avantajele traductorului cu miez mobil:

lipsa frecărilor la deplasarea miezului, rezultând o robustețe și o fiabilitate ridicată;

rezoluție și reproductibilitate foarte bune;

insensibilitate la deplasări radiale ale miezului;

posibilitatea protecției bobinei de medii corozive cu temperaturi și presiuni ridicate;

asigurarea separării galvanice (între intrare și ieșire);

posibilitatea optimizării factorului de calitate al bobinelor care formează elementul sensibil.

În figura 4.7 este prezentat un traductor cu întrefier variabil. Pe miezul feromagnetic (realizat din tole) se află plasată o bobină alimentată cu o tensiune alternativă, Ua. Modificând întrefierul δ, prin deplasarea x (a armăturii mobile) se va modifica reluctanța circuitului magnetic și implicit inductanța L (a bobinei), conform relației:

unde:

N este numărul de spire al bobinei;

lFe – lungimea circuitelor magnetice (aer – fier);

S – suprafațele de închidere a fluxurilor magnetice ;

– permeabilitățile magnetice (ale circuitelor de închidere a fluxurilor).

Fig. 4.7. Traductor cu întrefier variabil.

4.3 Traductoare capacitive

Traductorul de nivel capacitiv este format din peretele recipientului și un electrod introdus în el (fig. 4.8).

Cum orice lichid sau material al cărui nivel trebuie măsurat are permitivitatea relativă mai mare ca aerul, capacitatea condensatorului crește cu înălțimea de umplere. În funcție de forma și dimensiunile recipientului, electrodul central este sub formă de bară sau tub neizolat, dacă substanța din rezervor este necorosivă și izolantă electric.

În caz contrar, electrodul central se izolează cu sticlă sau polietilenă.

Fig. 4.8 Traductor capacitiv

Considerăm că în recipient sunt două medii și , schema electrică este reprezentată de două condensatoare de capacități C1 și C2 conectate în paralel, iar capacitatea echivalentă este:

,

unde

În aceste relații C0 este capacitatea electrică a recipientului gol , respectiv pentru h=0; este variația de capacitate pentru un anumit nivel h; D – este diametrul interior al recipientului, iar d – diametrul exterior al electrodului central.

Traductoarele de nivel capacitive sunt utilizate la măsurarea nivelului unei singure substanțe, deci ; , cu , sau la măsurarea nivelului a două substanțe cu diferit de .

În continuare, traductorul capacitiv este introdus în brațul unei punți de curent alternativ în regim neechilibrat, alimentată cu o tensiune de 100KHz. Tensiunea de dezechilibru este amplificată, redresată și măsurată analogic cu un instrument magnetoelectric.

Domeniul de măsurare: .

Principiul de funcționare a unui traductor capacitiv poate fi înțeles pornind de la relația de calcul a capacității unui condensator:

pentru un condensator plan

pentru un condensator cilindric (considerând l >> b)

Pentru a obține variația capacității condensatorului plan, se poate acționa asupra:

dielectricului;

distanței dintre armături;

suprafeței de suprapunere a armăturilor.

Fig. 4.9. Condensator plan cu dielectric variabil.

Un traductor cu dielectric variabil are distanța dintre armături fixă, iar dielectricul este mobil, putându-se deplasa după una dintre axele Ox sau Oy.

Obs:

dacă dielectricul se deplasează după axa Ox, capacitatea traductorului este echivalentă conectării în paralel a două condensatoare cu dielectrici diferiți: unul cu permitivitatea electrică absolută εo și celălalt cu permitivitatea electrică absolută ε;

dacă dielectricul se deplasează după axa Oy, capacitatea traductorului este echivalentă conectării în serie a două condensatoare cu dielectrici diferiți: unul cu permitivitatea electrică absolută εo și celălalt cu permitivitatea electrică absolută ε.

Un traductor cu suprafață variabilă are distanța dintre armături fixă și suprafața armăturilor, de asmenea, fixă, dar se modifică suprafața pe care cele două armături se suprapun (sunt “drept în drept”).

Fig. 4.10 Traductor capacitiv cu suprafață variabilă.

La traductoarele cu distanță variabilă, distanța dintre armături variază cu deplasarea, iar suprafața armăturilor și dielectricul sunt aceleași.

Fig. 4.11 Traductor capacitiv cu distanță variabilă.

Aplicații:

Măsurarea nivelului de lichid (solid)

Funcționarea traductoarelor capacitive pentru măsurarea nivelului de lichid (solid), se bazează pe variația capacității de RF a unui condensator format între o sondă sub formă de tijă și peretele navei (tancului), datorită variației dielectricului dintre acestea (fig. 4.12).

Fig. 4.12. Măsurarea nivelului unui lichid cu traductor capacitiv.

Obs:

sonda (tijă metalică sau cablu) se va instala cât mai aproape de peretele tancului (magaziei), fig. 4.12a;

dacă tancul (magazia) nu este realizat din metal:

se va dispune o bandă metalică în afara peretelui acestuia (fig. 4.12a), atât pentru mediu lichid cât și pentru mediu solid; sau

sonda (tija) se va introduce într-un cilindru metalic (pentru mediul lichid) iar în partea superioară va fi prevăzut un orificiu de aerisire astfel încât lichidul să pătrundă în interiorul cilindrului (între cilindru și sondă), fig. 4.12b;

pentru tancuri (magazii) cu formă neregulată iar mediul îl constituie un lichid cu vâscozitate redusă, sonda (tija) se va introduce într-un cilindru metallic, fig. 4.12b;

în cazul în care în magazie se transportă mărfuri pulverulente vrac (ex. cereale, nisip, var, ipsos etc.) sau magazia este goală, sonda va fi fixată de magazine, în partea inferioară, cu un izolator ceramic), fig. 4.12c;

sonda va fi izolată față de peretele tancului (magaziei) dacă în interiorul acesteia se găsește un dispozitiv pentru amestecul încărcăturii, aceasta pentru a preveni deformarea sondei și înfășurarea calblului acesteia în jurul dispozitivului, fig. 4.12d.

Traductorul capacitiv poate fi realizat și cu două tije izolate între ele. Acestea se imersează vertical în lichid iar valoarea capacității este în funcție de valoarea lungimea imersată, deci în funcție de nivelul lichidului.

Schema bloc a acestui traductor este perezentată în figura 4.13 iar schema funcțională în figura 4.14.

Fig. 4.14. Schema funcțională a traductorului capacitiv

4.4 Indicatoare de nivel by-pass

Aceste indicatoare sunt dispuse în exteriorul tancului. Creșterea nivelului lichidului determină deplasarea plutitorului cu magnet și atracția de către magnet a indicatorului, având ca rezultat indicarea nivelului.

Fig. 4.15. Indicator de nivel by-pass.

Fig. 4.16. Exemple de indicatoare de nivel by-pass.

4.5 Traductoare de nivel magnetice

Traductoarele de nivel magnetice sunt realizate dintr-un flotor cu magnet ce determină modificarea rezistenței echivalente de ieșire a traductorului proporțional cu nivelul lichidului din tanc. Magnetul permanent determină închiderea unui contact în momentul când ajunge în dreptul acestuia și astfel, se va modifica și rezistența echivalentă a elementului sensibil (fig. 4.17).

Fig. 4.17 Traductor magnetic de nivel.

Fig. 4.18 Construcția traductorului magnetic de nivel.

4.6 Traductoare de nivel magnetostrictive

Traductoarele magnetostrictive sunt utilizate pentru măsurarea continuă a nivelului lichidelor pe baza monitorizării poziției unui plutitor magnetic, utilizând principiul magnetostrictiv.

Procesul de măsurare este inițializat de un impuls de curent aplicat unui fir din material magnetostrictiv (1). Acest curent generează un câmp magnetic axial (3) de-a lungul firului (1), care este ținut întins în interiorul tubului traductorului. Plutitorul care va urmări suprafața lichidului este prevăzut cu un magnet permanent (4). Când impulsul ajunge la plutitor, cele două câmpuri magnetice interacționează și rezultă o forță de torsiune.

O undă de torsiune (5) este indusă în fir, aceasta deplasîndu-se în direcții diferite. În interiorul carcasei traductorului există un convertor piezoceramic (2) care convertește această undă în semnal electric. Măsurând timpul de tranzit, este posibil să se determine punctul de start al undei, deci și poziția plutitorului cu o mare precizie.

În partea inferioară a tubului există un element care atenuează unda ce se propagă în secțiunea inferioară a tubului.

Fig. 4.19 Traductor de nivel magnetostrictiv.

Obs:

sunt traductoare care în locul convertorului piezoceramic au o bobină, iar variația de permeabilitate a firului din material magnetostrictiv, produsă de aplicarea forței, provoacă o variație a inductanței bobinei asociate, care poate fi preluată de un amplificator (adapator), fig. 5.5.

Fig. 4.20 Traductor de nivel magnetostrictiv cu bobină

4.7 Traductoare de nivel ultrasone

Traductoarele cele mai des utilizate sunt traductoare acustice cu ultrasunete ce funcționează pe principiul efectului piezoelectric sau magnetostrictiv, cele două variante fiind reversibile, putând fi folosite atât la emisia radiațiilor acustice-ultrasonore, cât și la receptia acestora.

Aceste traductoare utilizează impulsuri ultrasonore pentru a determina distanța dintre emițător (traductor) și suprafața mediului care trebuie măsurat. Când impulsul ajunge la suprafața mediului, o parte din energie este reflectată înapoi. Nivelul lichidului (solidului) este calculat pe baza diferenței de timp dintre momentul emisiei impulsului și momentul recepției undei reflectate și se determină cu relația:

unde

v este viteza de propagare a sunetului în aer (334,1 m/s)

tî este timpul de întârziere dintre momentul emisiei impulsului de sonaj și momentul recepției semnalului ecou (reflexiei de la suprafața mediului de măsurat).

Fig. 4.21 Tren de impulsuri.

Frecvențele de lucru ale acestor traductoare sunt de 20 – 200 kHz iar caracteristica de radiație sonoră are o deschidere de 5 – 10. Funcționarea acestor traductoare poate fi afectată de schimbarea vitezei sunetului din cauza umezelii, temperaturii și presiunii din interiorul magaziei (tancului). De exemplu, pot avea un sensor de temperatură pentru corecția automată a lungimii de undă.

Fig. 4.24 Caracteristica de directivitate a traductorului ultrasonor.

Emițătoarele și receptoarele de ultrasunete se bazează pe efectul piezoelectric și efectul magnetostrictiv.

Efectul piezoelectric poate fi:

direct – constă în apariția de sarcini electrice pe două fețe ale unei plăci de ristal, atunci când asupra ei se exercită o presiune, p;

indirect – constă în modificarea dimensiunilor unei plăcuțe de cristal când asupra ei nu se mai execită o presiune dar este supusă acțiunii unui câmp electric.

Cristalele piezoelectrice pot fi:

naturale: cuarțul, sarea Seignette – tartrat mixt de sodiu potasiu;

artificiale: metatitanatul de bariu.

Efectul piezoelectric direct este maxim atunci când solicitarea mecanică se face pe direcția axei electrice.

Fig. 4.25. Traductor piezoelectric: a – întinderea și comprimarea au loc în lungul

axei x; b – întinderea și comprimarea au loc în lungul axei y.

Traductorul poate fi programat astfel:

prin intermediul unui circuit de programare și afișare

prin intermediul PC utilizând o printr-o interfață I2C, RS232 sau RS485).

Fig. 4.26 Cutia de conexiuni a traductorului: 1 – conectarea unei interfețe I2C;

2 – pământare pentru conectare la ecranul cablului; 3 – conexiuni pentru alimentare.

Fig. 4.27. Conectarea circuitului de programare și afișare: 1 – display LCD;

2 – afișaj meniu; 3 – taste pentru programare.

Fig. 4.28. Conectarea traductorului la PC prin intermediul unei interfețe I2C:

1 – conexiuni (magistrală) pentru legătura cu interfața;

2 – cablu de legătură I2C;

3 – interfață;

4 – cablu USB pentru conectarea cu PC.

4.8 Traductoare de nivel radar

Aceste traductoare pot fi cu impulsuri, cu undă continuă modulată în frecvență (FMCW – Frequency Modulated Continuous Wave) sau cu ghid de undă (GWR – Guided-Wave Radar GWR).

Traductoarele de nivel în impulsuri utilizează impulsuri de microunde (fig. 5.13), în general banda X ( 10GHz) dar sunt utilizate și frecvențe mai mici – ex. 5,8GHz sau mai mari – ex. 26GHz), de joasă energie, pentru a determina distanța dintre emițător (traductor) și suprafața de reflexie a mărfii din magazie (tanc). Nivelul / distanța se determină cu relația:

unde

c este viteza de propagare a undelor electromagnetice (3108 m/s).

tî este timpul de întârziere dintre momentul emisiei impulsului de sondaj și momentul recepției semnalului ecou (reflexiei de la suprafața mărfii).

Fig.4.29 Tren de impulsuri.

Impulsurile pot fi radiate de o antenă de tip horn, parabolică sau de o rețea planară de elemente.

Principiul de funcționare a traductoarele de nivel FMCW constă în măsurarea defazajului dintre unda radiată de antenă și unda reflectată de suprafața lichidului. În funcție de acest defazaj se poate măsura nivelul produsului.

Fig. 4.30. Principiul determinării nivelului cu traductoare radar în impuls.

Traductoarele cu ghid de undă funcționează pe principiul reflectometriei în domeniul timp (TDR – Time Domain Reflectometry), în sensul că impulsuri de microunde se vor transmite printr-un ghid de undă sau cablu (tijă) iar constanta dielectrică a fluidului măsurat schimbă impedanța ghidului (cablului) și reflectă unda.

4.9 Traductoare de nivel cu radiații nucleare

Acestea se utilizează pentru măsurarea nivelului lichidelor toxice, inflamabile, explozive, corozive, nefiind permisă trecerea electrică sau mecanică între interiorul și exteriorul rezervorului.

Clasificarea radiațiilor nucleare:

După modul de alcătuire:

Radiații electromagnetice, formate din particule fără masă de repaus:

radiații X ( = 10-8 … 10-11 m),

radiații (.= 10-11 … 10-14 m);

– Radiații corpusculare, formate din particule cu masă de repaus:

fascicule de particule elementare: electroni, neutroni, protoni, etc;

fascicule de nuclee de atomi: deuteroni, helioni, etc;

fascicule de atomi ionizați în mișcare: He+ , Li+ , etc.

Radiații nucleare cu importanță deosebită în industrie:

– radiații (nuclee de He42 încărcate),

– radiații (electroni),

– radiații X și

– radiații .

O sursă radioactivă ce radiază unde gamma se dispune pe peretele compartimentului, iar un detector de radiații se dispune pe peretele opus și care va capta radiația a cărei intensitate este proporțională cu nivelul.

Fig. 4.32. Traductor de nivel cu radiații nucleare.

6. Traductoare de temperatură

6.1 Traductoare termorezistive

Din această categorie fac parte :

traductoare termorezistive semiconductoare – termistoarele;

traductoare termorezistive metalice – termorezistențele.

6.1.1 Termistoare

Termistoarele sunt rezistoare a căror rezistență depinde puternic de temperatură.

Tipuri de termistoare:

în funcție de modul de variație al rezistivității termistoarele pot fi:

termistoare cu coeficient de temperatură negativ – NTC (rezistența scade cu creșterea temperaturii);

termistoare cu coeficient de temperatură pozitiv – PTC (rezistența crește cu creșterea temperaturii).

după modul în care se realizează încălzirea, termistoarele pot fi:

termistoare cu încălzire proprie – își modifică rezistența datorită încălzirii prin efect Joule;

termistoare cu încălzire indirectă – pentru care căldura este produsă de un curent ce trece printr-o rezistență de încălzire (izolată electric de termistor) așezată în apropierea termistorului.

Obs: la termistoarele cu încălzire indirectă căldura produsă de curentul propriu este neglijabilă (aceste termistoare au patru terminale).

Fig. 6.1. Termistorul.

Un parametru important al termistoarelor îl reprezintă rezistența nominală (R25[]) – valoarea rezistenței termistorului la o temperatură dată (de exemplu 25°C), valoare ce se marchează pe corpul termistorului (se mai numește și rezistența nominală la disipare nulă);

Pentru fabricarea termisoarelor de tip NTC se folosesc oxizi și elemente de tranziție din grupa fierului: Cr, Mn, Fe, Co sau Ni. Prin impurificare cu ioni străini aceste materiale se transformă în semiconductoare, în acest fel mărindu-se conductibilitatea și variația cu temperatura a rezistivității.

Termistoarele se fabrică sub formă de plachete, cilindri, discuri, tuburi, filamente (protejate în tuburi de sticlă).

Legea de variație a rezistenței cu temperatura pentru termistoarele de tip NTC se exprimă prin relația:

unde A și B sunt constate de material iar T este temperatura în °K. Constanta B are o mică variație cu temperatura.

Termistoarele cu coeficient de temperatură negativ sunt utlizate ca elemente neliniare pentru stabilizarea tensiunii sau curentului, pentru compensarea variației cu temperatura a altor elemente și ca traductor de temperatură.

Termistoarele cu coeficient de temperatură pozitiv PTC sunt fabricate pe bază de titanat de bariu (BaTiO3) sau soluție solidă de titanat de bariu și titanat de stronțiu (SrTiO3); Prin substituirea ionilor de Ba2+ cu ioni trivalenți de La3+, Ba3+ sau a ionilor tetravalenți Ti4+ cu ioni pentavalenți Sb5+, Nb5+ se obțin materiale semiconductoare de tip n.

Matrialele semiconductoare astfel obținute sunt amestecate cu un liant și li se aplică o tehnologie asemănătoare materialelor ceramice.

Termistoarele cu coeficient de temperatură pozitiv se pot fabrica sub formă de plachete, cilindri, discuri, filamente (protejate în tuburi de sticlă).

Legea de variație a rezistenței acestor termistoare, este:

unde A, C, B sunt constante de material iar T este temperatura în °K.

Rezultă coeficientul de temperatură

Aceste termistoare se folosesc ca traductoare de temperatură, stabilizatoare și limitatoare de curent, în aplicații ce realizează protecția la scurtcircuit și supratensiuni.

De exemplu în oxidul de fier, Fe2O3, o mică parte din ionii de Fe2+ sunt înlocuiți cu ioni Ti4+, aceștia vor fi compensați de o cantitate de ioni Fe2+. La temperatură joasă electronii superiori ai ionilor de Fe2+ sunt situați în vecinătatea ionilor Ti4+. La creșterea temperaturii acești electroni sunt trepat pierduți, contribuind la creșterea conductibilității, formându-se astfel un semiconductor de tip n. În mod asemănător dacă în NiO, o parte din ionii Ni2+ sunt înlocuiți cu ionii de Li1+ se va forma un semiconductor de tip

Fig. 6.2. Măsurarea temperaturii cu ajutorul termistorului.

6.1.2 Traductoare termorezistive metalice

Traductoare de temperatură cu termorezistoare (traductoare RTD – engl. RTD – Resistance Temperature Detector) își bazează funcționarea pe variația rezistibității unui conductor metallic cu temperatura, după o relație de forma:

unde

t reprezintă rezistivitatea materialului la temperatura t (m);

o reprezintă rezistivitatea materialului la temperatura to;

este numit coeficient termic al rezistivității (C-1).

Materialele termorezistoarelor trebuie să corespundă din următoarele puncte de vedere:

• să aibă un coeficient de variație al rezistenței față de temperatură mare în valoare absolută,

• să fie stabile chimic față de acțiunile mediului înconjurător,

• să prezinte refractabilitate și rigiditate ridicate, să aibă rezistivitate mare.

Adeseori, se utilizează termorezistoare realizate din metale pure: cupru, platină, nichel.

La rezistoarele de Cu dependența rezistenței de temperatură este liniară.

în care reprezintă coeficientul de variație al rezistenței față de temperatură, – temperatura, iar R0 rezistența la 0°C. Dacă rezistența R0 este necunoscută, atunci se utilizează relația:

unde , R2 este rezistența la temperatura , iar R1 rezistența la temperatura . Pentru determinarea lui trebuie să se cunoască R1 la o temperatură oarecare .

Platina permite temperaturi până la 1200°C fără pericol de oxidare sau topire. Ecuația termorezistoarelor de platină este neliniară fiind între (0-660°)C.

iar între (-180° – 0)°C:

în care R0 este rezistența la 0°C, iar A, B, C sunt constante. Pentru temperaturi mai mici de -180°C și mai mari de 660°C, ecuația este dată tabelar.

Nichelul se poate folosi până la (250-300)°C; la temperaturi mai înalte dependența este neunivocă. Între (0-100)°C este valabilă ecuația

Abrevierea pentru un element sensibil din platină cu o rezistență de 100 la 0C, este Pt100. În funcție de standard acest traductor are o rezistență de 138,5 la 100C (standard IEC/DIN) sau 139 (Japonia). În general aceste elementele sensibile sunt realizate dintr-un fir de platină dispus pe un support ceramic, dar se pot realiza și din foiță de platină pe un support ceramic.

Erorile acestui traductor sunt de 0,2%. 0,1% sau 0,05% la o temperatură de 0C.

De asemenea traductoarele cu platină se pot realize și cu valori de 200, 500 sau 1000.

Fig. 6.3. Construcția traductorului termorezistiv.

6.2 Traductoare termoelectrice. Termocuplul

Fenomenul termoelectric, pe baza căruia funcționează traductoarele termoelectrice, numite adesea termocupluri va fi descris în legătură cu figura 6.4.

Fig.6.4

Dacă două conductoare sau semiconductoare din materiale diferite sunt reunite așa cum se indică în fig.4.4 și dacă temperatura locului lor de contact este (capătul cald), atunci între capetele libere (capete reci) aflate la temperatura apare o t.e.m.

Menținând apare posibilitatea măsurării temperaturii deoarece:

Între capetele reci se dispune un alt traductor, de obicei magnetoelectric. Deoarece în acest fel vin din nou în contact conductoare din materiale diferite, pot lua naștere – în mod nedorit t.e.m. Pentru a evita această situație, circuitul interior termocuplului se menține la aceeași temperatură .

Transformarea curentului alternativ în căldură are loc prin intermediul firului încălzitor metalic prin care trece acest curent. Cantitatea de căldură degajată într-o perioadă T a curentului alternativ este:

în care Rf este rezistența firului încălzitor.

Datorită inerției termice a firului încălzitor temperat, natura sa rămâne practic neschimbată de-a lungul unei perioade T a curentului alternativ i. Neglijând căldura transmisă prin radiație, căldura transmisă prin conducție și convecție capătului cald al termocuplului este într-o perioadă:

unde c reprezintă coeficientul de transmisie a căldurii, S suprafața prin care se transmite căldura.

În regimul permanent , astfel încât:

în care I este valoarea efectivă a curentului alternativ, care trece prin firul încălzitor. Admițând că termocuplul este caracterizat printr-o ecuație liniară, rezultă:

unde K este un coeficient, care depinde de materialele ce alcătuiesc termocuplul. Expresia de mai sus reprezintă ecuația termocuplului. Sub aspect constructiv se disting mai multe feluri de convertoare termoelectrice (fig.6.5)

a) b)

Fig.6.5

a) termocuplu cu legătură directă;

b) termocuplu cu legătură indirectă (fără contact)

În figura 6.5.a. este prezentat un termocuplu cu legătură directă cu firul încălzitor. Întrucât un astfel de contact nu este riguros punctiform, el prezintă asimetrii față de sensul de trecere al curentului electric.

În figura 6.5.b. se prezintă un termocuplu care primește căldura de la firul încălzitor prin intermediul unei piese de ceramică. La curenții mici I sensibilitatea convertorului termoelectric se poate mări legând în serie mai multe termocupluri.

Materialele electrozilor termocuplurilor trebuie să îndeplinească următoarele condiții: să asigure t.t.e.m. cât mai mare,

să aibă proprietăți neschimbate timp îndelungat,

să reziste chimic și mecanic la temperaturi înalte

să prezinte conductivitate electrică mare.

Se utilizează perechile de materiale: platină-aliaj platină; platină-rhodin, cromel (90% Ni, 10% Cr) – alumel (95% Ni, 5% Al).

T.e.m. depinde de obicei neliniar față de temperatură:

în care, reprezintă diferența de temperatură dintre capătul cald și capetele reci ale termocuplului.

Mare parte a erorilor de măsurare ale traductoarelor termoelectrice se datoresc inconstanței temperaturii capetelor reci, mai ales la măsurările industriale.

Pentru înlăturarea acestor erori, capetele reci se introduc în termostate, în incinte îngropate în pământ sau izolate termic. În afară de acestea, eroarea se compensează prin scheme electrice adecvate, introducându-se corecții dependente de temperatura mediului în care sunt capetele reci.

La montarea și exploatarea traductoarelor termoelectrice se va ține seama de faptul că eroarea de măsurare depinde de schimbul de căldură dintre traductor și mediu, construcția traductorului și locul instalării lui. Principalul dezavantaj al traductoarelor termoelectrice îl constituie inerția lor mare, constanta de timp fiind de ordinul (10-1 – 10-2)s.

Principalele tipuri de termocupluri sunt prezentate în tabelul 4.1.

Tabelul 4.1. Principalele tipuri de termocupluri

În funcție de modul de conectare al jocțiunii de măsurare (punctul cald) la teaca de protecție, termocuplurile pot fi:

legate la teaca de protecție (conectate la masă) – asigură un bun transfer al căldurii la joncțiunea de măsurare;

izolate de teaca de protecție – timp de răspuns mare;

cu sudura în afara tecii de protecție – timp de răspuns foarte bun.

Fig. 6.6. Conexiunile traductorului cu termocuplu / traductorului termorezistiv.

Alte dispozitive de măsurare indirectă a temperaturii:

Termografia in infraroșu

Utilizată în:

– inspecția sistemelor electrice, pentru depistarea conexiunilor sau echipamentelor calde sau anormal de reci;

– inspecția sistemelor mecanice la frecări excesive și curgeri anormale ale fluidelor;

– inspecția acoperișurilor, detectarea izolărilor umede, pierderea de energie prin pereții exteriori ai clădirilor;

– monitorizarea proceselor,

– analize medicale, cantitative și ale plăcilor de circuit electronice, etc.

Un sistem de termografie în IR conține:

– un captator termic de imagini IR (scaner IR),

– o placă de achiziție de imagini,

– soft pentru procesarea de imagini și

– monitor video.

Măsurătorile se fac în 2 benzi spectrale: 3…5 μm sau 8…12 μm, datorită transmisiei bune a radiației IR prin atmosferă, în aceste benzi.

Informația obținută trebuie corectată, încât temperatura măsurată să depindă doar de temperatura obiectului.

Se ține seama de mărimea obiectului. Pentru un obiect a cărui imagine spectrală pe fotodetector este mai mică decât fotodetectorul, scanerul va măsura o temperatură medie a temperaturii obiectului și mediului înconjurător.

Pentru mărirea rezoluției, se folosește un sistem optic de mărire a imaginii obiectului și nu o amplificare electronică a semnalului, se elimină astfel efectele difracțiilor optice, aberații sau umbriri.

Rezultatele măsurătorilor nu sunt identice în cele 2 benzi, datorită:

– condițiilor atmosferice,

– distanței până la obiect,

– tipul obiectului a cărui temperatură se măsoară,

– radiația obiectelor înconjurătoare, etc.

Condițiile specifice aplicației se compensează prin software în sistemul de procesare de imagini.

Scanerele în IR sunt de două tipuri:

– cu suprafețe de fotodiode care necesită răcire la temperaturi criogenice, au diferențe de temperaturi echivalente de zgomot de 0,01°C, sunt scumpe, se folosesc în laborator și lucrează în banda 3. ..5 μm;

– cu suprafețe de fotodiode la temperatura camerei, în banda 0,9 … 2,5 μm, cu diferențe de temperaturi echivalente de zgomot de 1°C.

Pirometre

Folosesc la măsurarea temperaturilor mari, peste 1000°C, pe baza radiațiilor totale, parțiale sau monocromatice emise de corpurile măsurate.

Pirometre de radiație totală.

Intr-o carcasă metalică numită lunetă, conțin:

– un sistem optic, format din lentile obiectiv și ocular și diafragme;

– un sistem electric de măsurare, format din termopile, montate cu joncțiunile de măsurare pe plăcuțe receptoare de radiații din Pt înnegrită, centrate pe axul lunetei.

Constantele de timp ale măsurătorilor sunt 2…3 s.

Pirometre de radiație parțială.

– Pirometrul optic cu filamemt compară densitatea spectrală a luminanței energetice a corpului măsurat, cu luminanța spectrală variabilă a unei lămpi cu incandescență. Curentul prin filament dă informația de temperatură a corpului.

– Pirometrul fotoelectric măsoară densitatea spectrală a emitanței energetice a corpurilor, utilizând fotodetectoare în benzi de câțiva m în jurul unei anumite lungimi de undă. Se folosesc două fotodetectoare identice pentru măsurare (fotodiode duale), pentru eliminarea recalibrării periodice.

– Pirometrele de culoare funcționează pe baza raportului densităților spectrale ale emitanțelor energetice, pentru 2 lungimi de undă ale radiațiilor corpului a cărui temperatură se măsoară.

7. Traductoare de presiune

Considerații generale. Întrucât presiunea reprezintă un parametru de bază pentru numeroase procese tehnologice, traductoarele de presiune cunosc o largă răspândire în automatizările industriale și navale.

În practica măsurării presiunii se pot întâlni de obicei trei situații:

măsurarea presiunii în raport cu vidul absolut (considerat de presiune zero): presiune absolută;

măsurarea diferențelor de presiune față de cea atmosferică. Această diferență poartă numele de presiune relativă sau efectivă (presiunile măsurate cu manometrul sunt în general presiuni efective). După cum diferența este pozitivă sau negativă, se denumește suprapresiune sau depresiune.

Relațiile dintre presiunea efectivă și presiunea absolută:

în care: pa este presiunea absolută; pe – presiunea efectivă, – factor de corecție reprezentând diferența dintre presiunea atmosferică normală și presiunea atmosferică reală în momentul măsurării;

măsurarea diferenței de presiune față de o valoare de referință convențională. În acest caz rezultatul măsurătorii poartă denumirea de presiune diferențială.

În practica curentă există o mare varietate de tipuri de traductoare de măsurat presiunea. Ca în orice operație de măsurare, și în acest caz este necesară alegerea unor elemente sensibile adecvate.

Domenii de vibrație a presiunii tehnice

De regulă, aceste elemente sensibile convertesc presiunea fie într-o mărime intermediară de natura unei deplasări sau deformații mecanice, fie direct într-o mărime electrică (tensiune, sarcină electrică etc).

Deplasările sau deformațiile mecanice rezultate pot fi convertite în semnal electric prin mai multe metode, cele mai utilizate fiind cele ce urmăresc modificarea de parametri electrici (R, L, C, reluctanțe magnetice etc). În acest caz măsurarea presiunii presupune o serie de conversii deformare mecanică parametru electric, și ca atare, pe de o parte, este necesară o metodă de proiectare și alegere riguroasă pentru asigurarea sensibilităților și preciziilor necesare, iar pe de altă parte, structuri specializate de adaptoare.

Unitatea dc măsură a presiunii în Sistemul Internațional este newtonul pe
metru pătrat [N/mz], denumită și pascal [Pa], O unitate tolerată este kilogramul-
forță pe metru pătrat, [kgf/m2].

Utilizarea dispozitivelor cu lichid pentru măsurarea presiunii a determinat
adoptarea unor noi unități de măsură: milimetru coloană de apă [mmH2O] și
milimetru coloană dc mercur [mmHg], denumit și torr. Unitățile coloană dc lichid
sunt definite pentru anumite condiții de temperatură, accelerație gravitațională și
presiune atmosferică. Pascalul fiind mic, în practică se folosesc multiplii kPa și
MPa. Un multiplu mult folosit este barul.

1 bar = 105Pa = 10197,3 mmH20 = 750,06 mmHg = 0,9869 atm = l,0197at =
14,5 psi (pounds per square inch). în relațiile anterioare s-au folosit notațiile: at =
atmosfera tehnică, atm = atmosfera normală.

Domeniile de variație ale presiunii sunt:

– vacuum extrem, < 10 -9 bar;

– vacuum tehnic, 10 -9 – 10 -6 bar;

– vacuum, 10 -6… 0,1 bar;

– presiune mijlocie, 10 … 100 bar;

– suprapresiune tehnică, 100 … IO4 bar și

– presiuni foarte înalte, > 104 bar.

7.1 Traductoare de presiune cu senzori elastici

Aceaste traductoare conțin elemente elastice care convertesc presiunea în deformația elastică a unor corpuri de formă specială. Elementele sensibile utilizate frecvent sunt: tubul simplu curbat, tubul spiral, membrana simplă sau dublă (capsulă) și tip burduf.

Fig. 7.1. Senzori elastici pentru traductoare de presiune:

a – membrane (plană și gofrată); b – burduf; c – tub Bourdon.

Obs: – membranele gofrate sunt mai dificil de realizat, dar sunt mai sensibile (se poate considera că o membrană gofrată amplifică efectul obținut cu o membrană plană, de atâtea ori, câte onduleuri are);

burdufurile metalice ondulate (silfoane), realizate din tombac sau din oțel obișnuit, au proprietatea de a-și modifica dimensiunile sub acțiunea unei presiuni, fiind reprezentate în două variante;

în cazul în care e necesară măsurarea unei presiuni absolute sau diferențiale, se utilizează baterii de burdufuri montate în opoziție;

camerele cu membrană, cunoscute și sub denumirea de membrane gofrate, se execută în general dintr-un aliaj de bronz și beriliu sau din oțeluri inoxidabile;

funcționarea membranei este similară cu cea a burdufului ondulat, adică sub acțiunea unei presiuni se va produce deformarea acesteia, ceea ce duce la convertirea unei presiuni într-o variație de deplasare liniară;

tuburile Bourdon se execută în general din alamă arcuită, cunoscută sub numele de „tombac”, sub forma unui tub cu secțiune ovală, eliptică sau semisferă, cu un capăt rigid la care se aplică presiunea de măsurat. Celălalt capăt (liber) se va deforma sub acțiunea presiunii, realizând fie o deplasare liniară, fie una unghiulară (cazul manometrelor), putând fi prevăzute cu contacte electrice de minim și maxim (cazul presostatelor);

sensibilitatea maximă a tuburilor Bourdon se obține pentru cele cu secțiunea semisferică;

traductoarele de presiune prezentate au o sensibilitate relativ redusă, precizia lor fiind influențată de vibrații și șocuri, temperatură, umiditate existența derivei de zero etc.;

durata de viață a acestor traductoare este influențată de ciclurile de funcționare și suprasarcinile la care sunt supuse, fiind totuși traductoarele de presiune cele mai utilizate.

Principalele elemente associate elementelor elastice, destinate a converti deformațiile mecanice în variații ale unor parametri de circuit electric sunt:

elemente de tip inductiv;

elemente de tip capacitiv;

elemente de tip rezistiv;

elemente de tip piezoelectric.

7.2 Traductoare de presiune piezoelectrice

Elementele sensibile piezoelectrice se folosesc la traductoare pentru presiuni înalte, variabile în timp (500 – 1000 Hz). Acestea au forma unui disc pretensionat, așezat între două discuri metalice, cu ajutorul a două arcuri laterale sau a unei membrane.

Fig. 7.2. Elemente sensibile piezoelectrice.

Dezavantajul unui asemenea element sensibil este acela că orice încovoiere a ansamblului (cauzată de o centrare imperfectă) modifică frecvența naturală de oscilație și provoacă erori de neliniaritate.

7.3 Traductoare de presiune cu elemente piezorezistive

Piezorezistivitatea reprezintă proprietatea unui corp de a-și varia rezistivitatea (rezistența electrică) sub acțiunea unui câmp de tensiuni (mecanice) la care este supus. Fenomenul apare mai puternic în cazul unor semiconductoare.

Rezistivitatea unui semiconductor se determină cu relația:

, unde:

e – sarcina electronului;

n – numărul de purtători;

– mobilitatea medie.

La aplicarea unei tensiuni de natură mecanică se modifică numărul de purtători și mobilitatea lor.

Efectul piezorezistiv se explică prin influența deformărilor mecanice asupra energiilor relative ale benzilor de conducție și de valență, influență depinzând de direcția și mărimea solicitărilor (presiune).

Elementele piezorezistive sunt rareori utilizate ca elemente singure, în măsurările de presiune, și aceasta datorită faptului că modificările rezistenței pot fi produse de către efortul mecanic (presiune) dar și de variațiile de temperatură. Astfel ele se montează sau în schemele de tip jumătate de punte, sau de tip punte completă, deoarece în aceste situații efectele pot fi separate.

Fig. 7.3. Element piezorezistiv.

Fig. 7.4. Scheme de măsurare cu elemente piezorezistive.

În figura 7.5 este prezentată schema a unui adaptor, având în componență o punte cu 4 brațe active, alimentată în curent constant, unde RA, RB, RC, RD sunt elemente piezorezistive. Schema este concepută pe principiul transmisiei cu două conductoare (fire).

Fig. 7.5. Traductor cu elemente piezorezistive montate în punte.

Când se aplică presiunea de măsurat, RA și RD își cresc rezistența, iar RB și RC și-o micșorează. Regulatorul de curent constant păstrează în diagonala de alimentare a punții un curent constant de 1 mA (0,5 mA prin fiecare jumătate de punte). În absența presiunii, puntea este echilibrată (potențialele în punctele A și D fiind egale).

Diferența de potențial din A și D, care apare atunci când asupra elementului sensibil se aplică o presiune de măsurat, este introdusă într-un amplificator diferențial cu un factor de câștig mare. Curentul generat de convertorul U/I este în gama 3…19 mA. Împreună cu 1 mA, curentul constant din punte, rezultă că prin rezistența de sarcină circulă un curent variabil în gama 4…20 mA. Curentul din regulatorul de curent constant circulă prin rezistența de reacție Rr. Acest curent produce o cădere de tensiune pe brațul AC al punții, readucând puntea la echilibru. Deoarece căderea de tensiune este proporțională cu Rr, modificând această rezistență, se modifică domeniul de lucru.

Obs: În schema prezentată, variațiile de temperatură pot provoca erori, prin modificarea stării de echilibru a punții (punctul de zero) sau prin modificarea gamei de lucru.

7.4 Traductoare de presiune diferențiale

Măsurarea diferenței de presiune față de o valoare de referință convențională (care poate fi aleasă de utilizator în funcție de cerințele procesului tehnologic) poartă denumirea de presiune diferențială.

În figura de mai jos este prezentată schema unui traductor de presiune diferențială.

Presiunea care acționează pe partea de „roșu” sau de „albastru” determină deformarea diafragmelor. Uleiul de umplere din traductor transferă presiunea hidraulică la elementul sensibil piezorezistiv. În caz de suprapresiune elementul sensibil este protejat de o membrană de protecție.

Fig. 7.6. Traductor de presiune diferențial.

7.5 Traductoare de presiune capacitive

Traductorul capacitiv pentru măsurarea presiunii este alcătuit din două armături paralele dintre care una este acționată de presiune prin intermediul unei diafragme.

7.6 Traductoare de presiune integrate

Aceste traductoare au următoarele avantaje:

domenii de presiuni largi;

precizi: – 0,25% … 1%;

sensibilitate ridicată – 0,1% … 0,5%;

alimentare în cc 24 … 30 V;

imunitate la șocuri mecanice și vibrații;

gabarit redus;

eroare de neliniaritate mică – 0,05% …0,1%;

cuplare ușoară în sistemele de măsurare (sisteme de reglare automată, display);

bandă largă a frecvenței de răspuns – 0 Hz …50 kHz.

În figura 7.9 este prezentată schema bloc a unui traductor integrat de presiune diferențială.

Pentru a-și mentine propietățile de sensibilitate și precizie, schema traductorului conține un amplificator de semnal (A), un regulator de tensiune și un sistem de compensare a erorilor generate de variația temperaturii.

Elementul sensibil este de tip piezorezistiv (rezistoare difuzate) montat pe un suport ceramic. Acest senzor cuprinde o cavitate pentru referința de presiune, care poate fi vidată (în cazul traductoarelor de presiune absolută) sau este deschisă, în cazul traductoarelor de presiune diferențială, figura 7.10.

Dacă p1 este presiunea de referință, iar p2 este presiunea de măsurat (p2 > p1), diferența de presiune Δp = p2 – p1, acționând asupra senzorului piezorezistiv, va determina apariția tensiunii de dezechilibru la ieșirea punții de măsurare, care după amplificare în preamplificatorul A este aplicată etajului final (EF). Tensiunea de ieșire (Ue) variză liniar cu presiunea p2.

Fig. 7.9. Structura unui traductor de presiune integrat.

Pentru prevenirea unor șocuri parazite, senzorul este montat pe un suport cu rol atenuator.

Dacă se dorește măsurarea presiunii unor fluide corozive, cuplarea senzorului se face prin intermediul unui fluid tampon (ulei siliconic), figura 7.10.

Senzorul de temperatură, acesta produce un răspuns neliniar, având o sensibilitate de 2…4 mV/C, fiind construit dintr-o diodă Zener, al cărui curent este limitat la 150 A de către o rezistență montată între borna Ue și ieșirea senzorului de temperatură.

Fig. 7.10. Element sensibil pentru măsurarea presiunii diferențiale.

Traductoare de debit

8.1 Debitmetre electromagnetice

Debitmetrele electromagnetice sunt folosite pentru masurarea debitului volumic al lichidelor conductive. Acestea nu sunt afectate de schimbarea parametrilor lichidului, nu obstrucționează curgerea fluidului, are o cădere mică de presiune și necesită mentenanță redusă.

Fig. 8.1. Debitmetru electromagnetic.

În acest caz se izolează galvanic conducta și se plasează doi electrozi pe o direcție perendiculară pe direcția unui câmp magnetic exterior. Fluidul dintre cei doi electrozi joacă rolul de conductor, iar prin deplasarea acestuia în câmp magnetic, ia naștere o tensiune electromotoare. Valoarea tensiunii electromotoare măsurată între cei doi electrozi este proporțională cu viteza fluidului. Acest principiu poate fi aplicat pentru conducte de diametre foarte diferite (de la câțiva mm până la câțiva m diametru) cu precizii de ordinal a 1% pentru debite notabile. Pentru viteze de curgere mici valoarea tensiunii măsurate scade (μV) și, odată cu acesta, și precizia.

Tensiunea electromotoare măsurată între cei doi electrozi este:

unde:

B – inducția magnetică;

L – distanța între electrozii de măsură;

v – viteza de curgere a lichidului.

k – coefficient de calibrare.

Deoarece debitul de lichid este:

unde D este diametrul interior al conductei, se poate determina debitul în funcție de E și B:

K fiind o altă constantă.

Producatorii determina fiecare factor K pentru traductoarele de debit electromagnetice prin calibrarea cu apă pentru fiecare tub de curgere. Valoarea K astfel obținută este valabilă pentru orice alt lichid conductor și este liniară pe toată gama debitmetrului. Din acest motiv, acete tuburi sunt de obicei calibrate la o singură viteză. Astfel d traductoare poat măsura fluxul în ambele direcții, odată cu schimbarea direcție de mers se va schimba polaritatea dar nu și magnitudinea semnalului.

Valoarea K obținută prin calibrarea cu apă s-ar putea să nu fie valabilă pentru fluide non-newtoniene (cu vâscozitate dependentă de viteză) sau șlamuri magnetice (cele care conțin particule magnetice). Aceste tipuri de fluide pot afecta densitatea câmpului magnetic în tub de aceea sunt necesare modele speciale de compensare ce ar trebui să fie luate în considerare pentru ambele tipuri de fluide.

Tensiunea care se dezvoltă la electrozi este un semnal de tensiune de ordinul milivolți. Acest semnalul este convertit în mod obișnuit într-un curent standard (4-20 mA) sau frecvența de ieșire (0-10000 Hz), în apropierea tubului de curgere. Traductorii magnetici inteligenti cu semnale digitale de iesire permite conectarea directă la un sistem de control distribuit. Pentru că semnalul traductorului este unul slab, firul conductor ar trebui să fie protejat și
răsucite în cazul în care emițătorul este la distanță. Bobinele pot fi alimentate atât în curent alternativ cât și continuu.

Când excitația de pe cele două bobine se face in curent alternativ atunci semnalul de debit (la debit constant) va arata și el ca o undă sinusoidală. Amplitudinea undei este proporțională tocmai cu viteza.

În modele de excitație de curent continuu, un impuls de curent continuu de joasă frecvență (7-30 Hz), este utilizat pentru a excita bobinele magnetice. Cand bobine sunt excitate in regim pulsatoriu pe, transmițătorul citește atât debitul și semnale de zgomot. Între impulsuri, emițător vede doar semnalul de zgomot. Prin urmare, zgomotul poate fi eliminat în mod continuu după fiecare ciclu. Aceasta oferă un zero stabil. Pe lângă faptul că sunt mai precise și capabil să măsoară debite mai mici, debitmetrele de curent continuu sunt mai puțin voluminoase, mai ușor de instalat, utilizeaza mai puțin energie, și au un cost mai mic față de cele de curent alternativ.

8.2 Debitmetre ultrasonore

Aceste debitmetre utilizează două traductoare ultrasonore care pot funcționa atât ca emițător cât și ca receptor, pentru a măsura timpul scurs între emisia unui impuls și recepția sa (fig. 8.2). Timpul scurs între momentul emisiei și cel al recepției depinde de viteza de propagare a sunetului prin lichid și de viteza de curgere a fluidului (curgere care poate fi turbulentă). Întâi se măsoară timpul de tranzit în sensul de curgere al fluidului (fig. 8.2a) apoi se inversează funcțiile celor două traductoare (emițătorul și receptorul – fig. 8.2b) și se măsoară noul timp între emisia și recepția semnalului. Diferența între cei doi timpi este folosită pentru determinarea vitezei de curgere a fluidului.

și

Unde: LD- este distanța între traductoare;

Vs – viteza sunetului în lichid.

Vmed – viteza medie de curgere.

Obs:

lichidul nu trebuie să conțină impurități deaoarece dispersia undelor sonore datorată acestora ar împiedica măsurarea corectă;

acest principiu de măsurare se folosește în special pentru conducte de diametru mare și atunci când alte metode de măsurare nu pot fi folosite;

deoarece undele emise au formă sferică nu este nevoie să se poziționeze emițătorul și receptorul unul în fața celuilalt.

Fig. 8.2. Principiul debitmetrului ultrasonor.

8.3 Debitmetre Doppler

Acest tip de debitmetru a fost creat special pentru lichide în care există particule solide sau bule de gaz și se utilizează două traductoare ultrasonore (de multe ori integrare într-o structură unică). Unda emisă de unul va fi reflectată de particulele în mișcare producând o modificare a frecvenței direct proporțională cu viteza de curgere. Metoda este folosită în conducte de diametru mare dar erorile sunt destul de mari (de ordinul a 5%).

Traductoare de debit Doppler funcționează la 0.640 MHz ( model tip brida) și la 1,2 MHz, în modele de senzor umed. Traductorul trimite un impuls de ultrasunete sau un fascicul continuu în curentul de curgere. Undele sonore sunt reflectate înapoi de discontinuități acustice reprezentate de particule, bule de gaz antrenate, sau chiar prin vartejuri de turbulență.

Fig. 8.3. Principiul debitmetrului Doppler.

Traductorul va detecta mai degrabă viteza discontinuități, decât viteza fluidului, pentru calculul debitului. Viteza de curgere (V) poate fi determinată prin:

unde,Vs – viteza sunetului in lichidul analizat

f0 – frecventa de transmisie;

fr – frecventa semnalului reflectat;

– unghiul dintre pozitia elementului receptor si transmițător raportate la axa conductei.

Sisteme de achiziție date

9.1 Noțiuni generale

În modul cel mai general prin „achiziție de date” înțelegem procesul de obținere a datelor de la o altă sursă de obicei una exterioară a sistemului.

Datele (informația) provenite din mai multe puncte simultan, trebuiesc memorate, transmise sau prelucrate în vederea folosirii sale ulterioare ca date de comandă (control). Prelucrarea informației poate constă în operații simple (comparări), până la prelucrări matematice complicate (integrări, diferențieri, medieri, etc.).

Semnalul electric obținut la ieșirea traductoarelor va supota următoarele modificări:

este convertit într-un semnal electric cu parametrii diferiți (curent, tensiune etc.), prin intermediul circuitelor de condiționare;

pentru controlul numeric al procesului fizic se impune realizarea conversiei semnalelor analogice în semnale numerice acceptate de sistemul de prelucrare numerică. Semnalele numerice se obțin prin prelevarea la momente de timp date, a valorilor semnalelor analogice și conversia acestor valori sub formă numerică prin intermediul convertoarelor anolog-digitale, CAD.

Semnalele electrice obținute sunt folosite pentru comanda elementelor de execuție și de control (dispozitive de afișare numerică și alfanumerică, relee, electrovalve etc.). Pentru comanda cu semnale analogice a unor elemente de execuție și de control (motoare, înregistratoare etc.) este necesară conversia semnalelor numerice în semnale analogice prin intermediul sistemelor de distribuție de date (generare), SDD (SGD).

9.2 Structura unui sistem de achiziții de date

În sensul cel mai restrâns, un sistem de achiziție de date trebuie să poată executa trei funcții fundamentale:

convertirea fenomenului fizic într-un semnal care poate fi măsurat;

măsurarea semnalelor generate de senzori în scopul extragerii informației;

analizarea datelor și prezentarea lor într-o formă utilizabilă.

Cele mai multe dintre sistemele moderne de achiziție de date utilizează un calculator personal pe post de controler. Deci ținând cont și de cele enunțate mai sus, structura tipică a unui sistem de achiziție de date ce are la bază un PC este următoarea (fig. 9.1):

traductoarele care convertesc fenomenul fizic într-un semnal electric ce poate fi măsurat;

circuite de condiționare a semnalului pentru izolarea, liniarizarea, convertirea și/sau amplificarea semnalului provenit de la traductor;

un subsistem de achiziție de date (care poate include multiplexoare și convertoare analog – digitale);

un sistem de calcul;

soft pentru achiziția de date.

Fig. 9.1. Structura tipică a unui sistem de achiziție de date.

Cele mai comune componente ale unui sistem de achiziție de date sunt:

traductoarele sunt dispozitive ce convertesc mărimea de măsurat într-un semnal electric proporțional;

circuitele de condiționare a semnalului vor cuprinde orice dispozitiv ce convertește semnalul provenit de la senzor la un nivel acceptat de A/D (convertor analog-digital). Aceste circuite sunt de obicei formate din amplificatoare, filtre și convertoare c.a / c.c.;

filtrele anti-aliasing sunt folosite la îndepărtarea, (tăierea) semnalelor de frecvență prea mare ce nu mai pot fi convertite în mod corect de convertorul A/D folosit;

circuite de eșantionare și reținere sunt circuite ce se folosesc înainte de multiplexare, la eșantionarea semnalelor provenite simultan de la mai multe canale sau înainte de convertorul A/D – circuitele de reținere – pentru a preveni modificarea semnalului de la intrarea convertorului atât timp cât încă mai are aloc conversia lui din analog în digital;

multiplexorul (MUX) este un selector ce conectează pe rând câte un canal la convertorul A/D;

convertorul analog-digital, convertește semnalul analogic într-un semnal digital;

generatorul de clock este o sursă pentru toate impulsurile de clock necesare tuturor dispozitivelor în vederea unei funcționări corecte;

memoriile RAM/ROM sunt folosite la stocarea temporară sau permanentă a datelor. Memoria RAM utilizată de sistemul de achiziție poate fi cea a unui calculator sau poate fi dispusă direct pe placa de achiziție pentru a prelua și stoca datele de la ieșirea convertorului (până când calculatorul le va putea prelua);

convertorul digital-analogic poate fi poate fi utilizat în momentul în care se dorește obținerea unor semnale analogice de control;

interfața este un circuit ce conectează un element de un altul, de exemplu să conecteze un A/D de magistrala (bus-ul) unui procesor;

transmiterea datelor se face conform standardelor, iar modalitățile de transmisie se adaptează în funcție de topologia ariei în care se desfășoară procesul precum și de amplasarea centrului de decizie. Astfel se poate utiliza pentru transmisia de date standardul RS 232, 485 etc. (pentru transmisia serială, în cazul în care distanța de transmisie este mai mică decât 50 m sau 1000m), transmisia pe portul paralel (prin rețea), transmisia prin MODEM (pentru distanțe mari) și nu în ultimul rând transmisia wireless;

softul pentru achiziția de date este adesea un factor esențial (uneori chiar determinant) în proiectarea unor sisteme de achiziție de date deoarece împreună cu placa de achiziție de date, permite prelucrarea semnalului transmis de senzor;

sistemul de calcul – dacă aplicația implică o combinare a achiziției de date cu analiza datelor și reprezentarea lor grafică, este necesar ca sistemul de calcul pentru achiziția de date să fie extrem de puternic.

Sistemele de achiziție a datelor se pot clasifica după numărul canalelor de preluare a datelor în:

sisteme monocanal, cele care preiau datele de la un singur măsurand;

sisteme multicanal:

cu multiplexare analogică (comutarea intrărilor se face analogic);

cu multiplexare digitală (comutarea intrărilor se face după ce au fost convertite).

9.3 Sisteme de achiziție de date (SAD) monocanal

Cea mai simplă variantă a unui sistem de achiziție de date monocanal este cea la care mărimea de intrare este o tensiune continuă, cu valoarea în domeniul tensiunii de intrare a convertorului analog-digital. Schema bloc a acestui sistem, cu conversie directă, este prezentată în figura 9.2. Cuvântul binar ce reprezintă rezultatul conversiei este transmis către microprocesor. Acesta, la rândul său, generează semnalul de start pentru procesul următor de conversie și asigură semnalele necesare funcționării convertorului analog-digital.

Fig. 9.2. SAD monocanal, cu conversie directă. Fig. 9.3. SAD monocanal, cu amplificator.

În situația în care tensiunea de intrare este de valoare scăzută, apare necesitătea introducerii unui amplificator, de instrumentație sau de izolare, pentru ca semnalul să fie adus în domeniul convertorului (fig. 9.3).

Fig. 9.4. SAD monocanal cu CEM.

Creșterea vitezei de variație a tensiunii de convertit impune introducerea unui circuit de eșantionare-memorare (CEM) la intrarea convertorului analog-digital (fig. 9.4). Între două conversii succesive, CEM urmărește variațiile tensiunii de intrare. Înainte de startul conversiei analog-digitale, CEM este trecut în starea de memorare, furnizând la ieșire valoarea momentană a tensiunii de intrare, corespunzătoare sfârșitului etapei de urmărire. Starea de memorare durează pe întregul timp de conversie al CAD.

Introducerea circuitului de eșantionare-memorare nu afectează exactitatea CAD, indiferent de rapiditatea cu care se modifică semnalul de intrare.

9.4 Sisteme de achiziție de date (SAD) multicanal

În situația în care este necesar a se achiziționa mai multe mărimi specifice procesului urmărit se utilizează un multiplexor analogic. Astfel, este posibilă utilizarea unui singur CAD pentru toate intrările analogice (fig. 9.5). Diferitele surse de semnal analogic sunt multiplexate la intrarea circuitului de eșantionare și memorare, care reține, de fiecare dată, valoarea unui eșantion, în vederea conversiei. Comutarea fiecărui canal are loc pe durata cât circuitul de eșantionare și memorare al canalului precedent se găsește în starea de memorare și tensiunea sa este supusă conversiei. La sfârșitul procesului de conversie, circuitul de eșantionare și memorare este comandat în starea de eșantionare, în vederea prelucrării semnalului din canalul următor, deja comutat.

Fig. 9.5. Structura unui sistem de măsurare multicanal

cu multiplexare temporală.

Din figura 9.5 se remarcă funcțiile unității centrale, care asigură: semnalul de comandă a circuitului de esantionare-memorare, semnalul de inițiere a conversiei CAD, semnalele de adresare, secvențială sau aleatoare, a canalului pentru multiplexor. Sistemul cu multiplexor analogic, care permite accesul secvențial la semnalele de intrare, are dezavantajul unei viteze reduse de măsurare, soluția fiind, în schimb, cea mai ieftină.

O schemă ce prezintă mai multe detalii ale unui sistem de achiziție de date de acest tip, condus de un microprocesor, este prezentată în figura 9.6. Microprocesorul este acompaniat de circuitele uzuale: interfețe I/O, memorie ROM, memorie RAM, circuite timer.

Fig. 9.6. Sistem de achiziție de date cu microprocesor, cu multiplexare temporală.

Interacțiunea cu utilizatorul se face prin dispozitive de intrare (tastatură, mouse) și prin dispozitive de ieșire (monitor, imprimantă). Aceste dispozitive pot fi prezente întotdeauna sau numai la punerea în funcțiune. Alte dispozitive apar în configurație doar dacă sunt necesare:

– memorie externă;

– modem;

– placă de rețea.

Microprocesorul trebuie să asigure:

– semnalele de adresare pentru MUX și DEMUX;

– semnalele de comandă pentru circuitul de eșantionare și memorare;

– semnalele de start conversie pentru convertoarele CAD.

Există însă numeroase aplicații la care datele trebuiesc achiziționate simultan din toate punctele de măsură și într-un timp relativ scurt. Sistemul de achiziție de date care răspunde acestor cerințe este prezentat în fig. 9.7.

Fig. 9.7. Sistem de achiziție sincronă de date.

În arhitectura sistemului se remarcă amplasarea, pe fiecare canal de intrare, a câte unui circuit de eșantionare și memorare, în amonte față de multiplexor. Comanda pentru trecerea în starea de memorare este dată simultan pentru toate circuitele de eșantionare și memorare, după care ieșirile acestora sunt multiplexate la intrarea CAD. Timpul de așteptare, în vederea conectării la intrarea CAD, este cu atât mai lung cu cât numărul de canale este mai ridicat; din această cauză, circuitele de eșantionare și memorare trebuie să prezinte o viteză redusă de alterare a tensiunii memorate.

Dacă semnalul de la intrare evoluează rapid în timp, cele două sisteme de achiziție precedente, care se bazează pe utilizarea unui singur CAD pentru conversie, nu mai sunt utilizabile. În consecință, pentru mărirea vitezei de măsurare, se utilizează arhitectura de sistem prezentată în fig. 9.8, care prezintă câte un CAD pentru fiecare canal, precedat de blocul de condiționare a semnalului și de circuitul de eșantionare și memorare. Informațiile digitale sunt aplicate unui multiplexor digital, care selectează datele primare și le transmite secvențial pe magistrala sistemului de calcul.

Fig. 9.8. SAD cu multiplexarea ieșirilor CAD.

Avantajele acestei structuri de sistem sunt următoarele:

pot fi utilizate convertoare CAD mai lente și deci mai ieftine, chiar dacă se dorește o viteză mare de achiziție,

imunitate la perturbații datorită conversiei locale și transmisiei sub formă digitală,

posibilitatea separării galvanice a unei surse de semnal, împreună cu convertorul analog-digital aferent, față de restul sistemului.

Plăci de achiziție de date

Cuprins:

10.1 Structura generală a unei plăci de achiziții date

10.2 Funcțiuni și caracteristici de performanță

10.3. Alegerea unei plăci de achiziții de date

Sistemele de măsură computerizate cu plăci de achiziții se caracterizează în primul rând prin faptul că operația de conversie a semnalului purtător de informație din forma analogică în formă digitală nu mai este efectuată de aparatul de măsură analogic ci de o componetă electronică distinctă – placa de achiziții date- montată în calculator ca în figura 10.1

Figura 10.1

Plăcile de achiziții date necesită ca semnalul analogic să se încadreze între anumite limite pentru valoarea tensiunii și de aceea este necesară prezența unor aparate de condiționare a semnalelor. Acestea au rol nu numai de a satisface cerințele impuse de placa de achiziție ci și a celor rezultate din tipul și caracteristicile constructive ale traductoarelor utilizate. Majoritatea operațiilor de configurare a acestor aparate sunt comandate de calculator prin intermediul plăcii de achiziție.

Transferul de informație între aparatele de condiționare a semnalului și placa de achiziție de date are loc într-un mod complex.

O prima categorie de informații (informația conținută în semnalul măsurat și condiționat) este transferată sub formă analogică în sens unic către placa de achiziție de date și este dedicată convertorului analog-digital.

A doua categorie de semnale purtătoare de informație este de natură digitală. Acestea sunt dedicate fie comandării de către placa de achiziție a modului de lucru a etajului de condiționare a semnalului, fie transmiterii de către acesta a unor informații legate de starea în care se află. Prezența convertorului analog-numeric (digital) în placa de achiziții montată în calculator conferă sistemului de măsurare flexibilitate și performanțe sporite. Viteza de transmitere a informației provenite din măsurare către microprocesorul calculatorului este mult mai mare comparativ cu sistemele de comunicație paralelă. Modul în care placa de achiziție realizează transferul informațiilor către și de la microprocesor depinde de tipul de magistrală de date existent în structura calculatorului (AT, ISA, PCI, etc.).

Transmiterea sub formă analogică a semnalului de la modulul de condiționare la calculator ridică unele probleme în situația când distanța transmisiei este mare sau atunci când informația poate fi afectată de factori perturbatori. Evitarea alterării informației în aceste cazuri se poate face fie prin introducerea unor componente suplimentare în sistemul de măsurare (de obicei modulatoare), fie prin luarea unor măsuri suplimentare de izolare și ecranare a componentelor sistemelor de măsurare.

Sistemele de măsurare computerizată cu plăci de achiziții sunt utilizate cu precădere în activități de cercetare experimentală (laboratoare, testări inițiale pentru sisteme de automatizare, etc.).

10.1 Structura generală a unei plăci de achiziții date

Placa de achiziții de date este componenta cea mai importantă și mai complexă a unui sistem de măsurare computerizat. Asocierea acesteia cu un calculator duce la obținerea unor instrumente de măsură performante.

Din punct de vedere constructiv, pentru SAD există o mare varietate de plăci de achiziții de date, cum ar fi:

monocanal (doar cu o singură intrare analogică; în forma cea mai simplă conține doar un CAN și o interfață minimală),

multicanal cu multiplexare numerică (conțin mai multe canale ce pot funcționa ca niște monocanale independente sau corelate prin comenzi adecvate furnizate de o logică de control),

multicanal cu multiplexare analogică și eșantionare secvențială (care reprezintă o simplificare a tipului precedent, fiind utilizate atunci când nu interesează corelația în timp a semnalelor analogice de intrare).

Din considerente economice (raportul bun performanță/cost) și a faptului că pot fi utilizate în diverse domenii, majoritatea plăcilor de achiziții utilizate în SAD sunt realizate după structura unui sistem de achiziție multicanal cu multiplexarea semnalelor analogice la intrare și eșantionare secvențială, așa cum se vede în schema din Figura 10.2

Figura 10.2

Plăcile de achiziție pot prelucra mai multe semnale analogice de intrare bipolare (+/- 5V) sau unipolare (0…10V) provenite de la diverse traductoare și pot furniza semnale de ieșire (analogice sau digitale) pentru reglarea parametrilor unui proces, afișarea rezultatelor etc. La intrarea în placă, semnalele analogice sunt mai întâi prelucrate electronic (amplificate, eșantionate), după care sunt convertite în semnale digitale și prin intermediul unei interfețe sunt trimise sub forma unui cod numeric spre magistralele calculatorului. Acesta preia codurile numerice corespunzătoare mărimii supuse măsurării la anumite momente (dictate de frecvența de eșantionare prescrisă) și le prelucrează sau le memorează pentru prelucrări ulterioare.

Calculatorul poate executa și alte operații cum ar fi: calculul erorilor cu care s-au determinat valorile parametrilor, generarea unor semnale de comandă către elemente de reglare (atunci când valorile parametrilor se abat de la o valoare prestabilită), generarea unor semnale de avertizare (în cazul depășirii unor valori limită impuse) etc. Toate aceste operații sunt realizate printr-un program prestabilit, în funcție de natura parametrilor de proces, de tipul traductoarelor etc. In aceste cazuri plăcile de achiziții trebuie să îndeplinească funcțiuni de intrare/ieșire analogice și ca atare sunt mai complexe, având atât module de achiziție date (vezi SAD) cât și module pentru generarea de date (vezi SGD); așa cum s-a arătat mai sus asemenea plăci se numesc plăci multifuncționale sau module I/O (Input/Output). Plăcile de achiziții multifuncționale sunt mai scumpe dar au posibilitatea cuplării cu o gamă largă de echipamente, pentru a realiza operații complexe de monitorizare, control și reglare a parametrilor unor instalații tehnologice care lucrează în sisteme automate. Numărul canalelor de intrare/ieșire este impus de natura aplicației practice și de soluțiile adoptate pentru interfațare.

Schema – bloc a unei plăci de achiziții de date multifuncționale, capabilă să

execute atât achiziții cât și generare de date arată ca în Figura 10.3

Figura 10.3

10.2 Funcțiuni și criterii de performanță

Plăcile de achiziții de date utilizate în sistemele de măsurare computerizate pot îndeplini mai multe funcțiuni:

– intrare analogică: constă în măsurarea unui semnal, de regulă sub forma unei tensiuni electrice, care provine de la un traductor aflat într-un SAD;

– ieșire analogică: constă în generarea unui semnal, în urma prelucrării într-un SGD, de regulă sub forma unei tensiuni electrice, care să comande un element de acționare din sistemul monitorizat;

– comunicații digitale: primirea și emiterea de valori în formă binară, reprezentând date sau coduri de comenzi, transmise sub forma unor impulsuri TTL între placa de achiziție și alte componente ale sistemului computerizat; comunicațiile digitale pot fi utilizate și pentru măsurări sau generări de semnale în cazul în care traductorul sau elementul de acționare au o funcție descrisă de o stare logică binară (comutatoare cu două poziții, întrerupătoare, relee, diode electroluminiscente etc.);

– numărare/cronometrare: primirea și emiterea de semnale sub forma unor serii de impulsuri TTL în care informația este conținută în numărul de impulsuri din serie sau în frecvența acestora.

Toate tipurile de plăci de achiziții de date pot îndeplini ultimile două funcțiuni din cele enumerate mai sus (comunicații digitale și numărare/cronometrare).

Majoritatea plăcilor de achiziții posedă toate cele patru funcțiuni, caz în care acestea se numesc plăci multifuncționale. O serie de plăci de achiziții date nu posedă funcțiunea de ieșire analogică iar o altă categorie (cele dedicate ieșirilor analogice) nu posedă funcțiunea de intrare analogică.

Analiza funcțiunilor descrise mai sus va scoate în evidență criteriile de performanță ale unei plăci de achiziție, care sunt utile la stabilirea celui mai potrivit tip de placă pentru o anumită aplicație practică.

a) Funcțiunea de intrare analogică. Printre parametrii care descriu performanțele cu care o placă de achiziții de date îndeplinește această funcțiune se pot enumera: numărul de canale de intrare analogică, rata maximă de eșantionare, intervalul de măsurare, rezoluția și precizia de măsurare.

Numărul de canale de intrare analogică este specificat atât pentru configurația unipolară cât și pentru cea diferențială. Configurația unipolară se referă la tensiuni electrice de pe canale diferite, măsurate în raport cu un potențial de referință comun, aflat pe legătura la masă a plăcii de achiziții. Acest tip de intrări analogice este utilizat pentru semnale cu tensiuni relativ mari (peste 1 V), atunci când firele de legătură dintre sursa care generează semnalul și placa de achiziții au lungimi mai mici de 5 m. În celelalte situații se utilizează configurația diferențială, în care fiecare tensiune electrică de pe un canal de intrare este măsurată în raport cu un potențial de referință propriu. Configurația diferențială reduce erorile datorate influențelor perturbațiilor electromagnetice din mediul exterior asupra firelor de legătură.

Rata maximă de eșantionare reprezintă numărul maxim de conversii analog – digitale pe care o placă de achiziții de date le poate efectua în unitatea de timp secundă). O rată mai mare de eșantionare permite descrierea numerică mai precisă a semnalului inițial (analogic) însă necesită prelucrări statistice mai complexe. Unitatea de măsură pentru rata de eșantionare este S/s (din engl. Samples/second – Eșantioane/secundă).

Deși posedă mai multe canale de intrare analogică, majoritatea tipurilor de plăci de achiziții utilizează un singur CAN (măsurarea semnalelor de pe mai multe canale este realizată în acest caz prin multiplexarea acestora la intrarea în convertor). Este evident că atunci când se utilizează un singur CAN, rata de eșantionare corespunzătoare unui canal se obține prin împărțirea ratei de eșantionare a plăcii la numărul de canale active.

De exemplu, în cazul unei plăci de achiziții de date cu rata maximă de eșantionare de 1MS/s, cu ajutorul căreia se măsoară 10 semnale, rata de eșantionare de pe fiecare canal nu poate depăși 100 kS/s.

Intervalul de măsurare reprezintă diferența dintre valoarea maximă și minimă a tensiunii electrice pe care CAN o poate cuantifica. Majoritatea plăcilor de achiziții de date au la dispoziție mai multe intervale de măsurare, unul din acestea putând fi selectat la un moment dat, în funcție de domeniul de măsurare al aplicației.

Rezoluția reprezintă numărul de biți utilizați de către CAN al plăcii de achiziții pentru reprezentarea numerică a valorii semnalului analogic. Dacă se notează valoarea rezoluției cu n, CAN va reprezenta numere întregi cuprinse între 0 și 2n-1, ceea ce este echivalent cu aproximarea infinității de valori din intervalul de măsurare printr-o mulțime discretă de 2n valori. Intervalul de măsurare este astfel divizat în 2n subintervale. Toate valorile semnalului măsurat aflate într-un același subinterval vor fi reprezentate printr-un singur număr, deci vor fi toate aproximate la o aceeași valoare comună. Cu cât rezoluția este mai mare , cu atât crește numărul de subintervale în care este divizat intervalul de măsurare și deci crește precizia de reprezentare numerică (binară) a semnalului real.

De exemplu prin utilizarea unui CAN cu rezoluția de 3 biți, intervalul de măsurare se va diviza în 23 = 8 subintervale. Este evident că în acest caz precizia măsurării este scăzută datorită pierderilor de informații. Utilizarea unui convertor cu rezoluția de 16 biți ar conduce la o reprezentare mult mai fidelă a semnalului original, întrucât în acest caz intervalul de măsurare va fi împărțit în 216 = 65536 subintervale.

Posibilitatea de selectare a intervalului de măsurare al unei plăci de achiziții permite alegerea unor limite ale acestuia cât mai apropiate de valorile extreme ale semnalului de măsurat, astfel încât rezoluția convertorului să conducă la o precizie cât mai mare a măsurării.

Precizia de măsurare se definește ca fiind variația minimă detectabilă a semnalului de măsurat. Valoarea preciziei de măsurare este denumită și lățime de cod și corespunde variației bitului cel mai puțin semnificativ (LSB) din numărul binar generat de CAN în urma măsurării.

Precizia de măsurare a unei plăci de achiziții de date nu este întotdeauna respectată atunci când măsurarea se face cu valori mari ale ratei de eșantionare. Există situații în care plăci cu rezoluția de 16 biți reușesc, la rate de eșantionare de 100 kS/s să redea semnalul măsurat cu o precizie corespunzătoare unei măsurări cu o placă având rezoluția doar de 12 biți.

Caracterizarea completă a performanțelor unei plăci de achiziții de date aflată într-un regim de lucru solicitant nu poate fi făcută fără luarea în considerare a unor parametri auxiliari și a unor erori specifice, cum ar fi: timpul de stabilizare, zgomotele, erorile CAN etc.

Timpul de stabilizare. La majoritatea tipurilor de plăci de achiziții de date, semnalul de măsurat parcurge inițial circuitele unui multiplexor, apoi este amplificat înainte de a fi introdus în CAN. Construcția circuitului de amplificare face necesară existența unui interval de timp – numit timp de stabilizare – pentru a efectua amplificarea semnalului. Dacă timpul de stabilizare este mai mare decât intervalul de timp dintre două conversii efectuate de CAN, acesta va prelua de la ieșirea amplificatorului un semnal la care amplificarea nu a fost încheiată și va genera o valoare binară diferită de valoarea reală a semnalului analogic. Erorile generate de valori prea mari ale intervalului de stabilizare cresc odată cu micșorarea intervalului de măsurare și cu creșterea ratei de eșantionare. Aceste erori, uneori însemnate, au loc în yona de circuite analogice ale plăcii de achiziții, fapt ce le face indetectabile și ca atare placa nu poate genera un mesaj de eroare. Riscul de preluare de către CAN a unui semnal insuficient amplificat crește atunci când amplificatorul baleiază un număr mare de canale. Tensiunea de la intrarea în amplificator are are în acest caz variații mari, la care amplificatorul se va adapta cu dificultate.

Zgomotele. În interiorul calculatorului în care este montată placa de achiziții există numeroase surse de perturbații electromagnetice care influențează amplitudinea semnalelor analogice. De aceea transmiterea acestor semnale prin circuitele plăcii trebuie efectuată pe căi ecranate care să elimine influența perturbațiilor externe.

Erorile CAN vor fi analizate ulterior în detaliu, acestea fiind responsabile în mare măsură de precizia unei plăci de achiziții.

b) Funcțiunea de ieșire analogică. Ieșirile analogice sunt utilizate pentru generarea de semnale de comandă sau de acționare a elementelor de execuție. Pentru a genera astfel de ieșiri, placa de achiziție trebuie să conțină elemente ale SGD, în care rolul principal îl are CNA. Ca atare, ieșirile analogice au performanțe determinate în principal de intervalul de generare, timpul de stabilizare, rata maximă de generare și de rezoluția CNA.

Intervalul de generare conține valorile posibile ale tensiunii electrice la ieșirea

din CN/A

Timpul de stabilizare și rata de generare determină împreună viteza cu care CNA poate modifica valoarea tensiunii electrice generate.

Este evident că generarea unor semnale cu frecvențe înalte, de genul semnalelor radio, poate fi realizată doar de CNA cu timpi de stabilizare reduși și rate mari de generare.

Rezoluția determină finețea cu care semnalele de ieșire pot fi generate.

O apreciere mai precisă a performanțelor cu care o placă de achiziții de date îndeplinește funcțiunea de ieșire analogică trebuie să aibă în vedere, în special în cazul regimurilor solicitante și aspectele legate de erorile CNA, care vor fi analizate ulterior.

c) Funcțiunea de comunicații digitale. Comunicațiile digitale ale unei plăci de achiziții de date, servind controlului procesului supus monitorizării sau comunicării cu diverse echipamente periferice, au performanțe caracterizate în principal prin numărul de linii digitale disponibile, viteza cu care datele pot fi recepționate sau emise prin intermediul liniilor respective precum și capacitatea acestor linii de a transmite semnale de o anumită intensitate.

Valorile necesare ale caracteristicilor enumerate mai sus sunt determinate în primul rând de caracteristicile echipamentelor din proces cu care placa urmează să comunice: numărul de semnale digitale ce trebuiesc recepționate sau emise, timpul de răspuns al unui echipament sau al unei mărimi din proces, puterea electrică necesară pentru comanda sau acționarea unor echipamente. În situația în care placa de achiziții de date comunică prin intermediul liniilor digitale cu un echipament periferic (imprimantă, înregistrator, procesor de date), este necesară analiza posibilității de a grupa din punct de vedere logic mai multe linii digitale într-un port de comunicație.

În cazul generării unor semnale digitale de comandă sau acționare, sunt rare situațiile în care elementele de execuție din proces (motoare, valve, relee etc.) acceptă direct semnalele TTL ale plăcii de achiziții de date. În majoritatea cazurilor este necesară prezența unor condiționere de semnale digitale care să realizeze amplificarea tensiunii sau intensității electrice.

d) Funcțiunea de numărare și cronometrare. Circuitele de numărare și cronometrare ale unei plăci de achiziții pot fi utilizate atât pentru sesizarea unor evenimente digitale (de ex. semnale sub formă de impulsuri primite de la traductoare numerice de deplasare) cât și pentru generarea unor astfel de evenimente (de ex. pentru acționarea motoarelor pas cu pas).

Parametrii cei mai importanți pentru aprecierea performanțelor acestor circuite sunt rezoluția și frecvența maximă.

 Rezoluția, având semnificația numărului de biți utilizați, determină direct numărul maxim de evenimente pe care un astfel de circuit le poate număra.

 Frecvența maximă a unui numărător determină atât gama de semnale pe care acesta le poate măsura corect cât și frecvența maximă a semnalelor pe care numărătorul respectiv le poate genera.

Plăcile de achiziții de date din categoria celor mai evoluate utilizează numărătoare cu rezoluții de 16 sau 24 de biți, lucrând la frecvențe maxime de 20 MHz.

Circuitele de numărare performante dispun de facilități de numărare crescătoare sau descrescătoare (în funcție de comanda primită pe o cale separată), de buffere de memorie pentru generarea trenurilor de impulsuri precum și de posibilitatea modificării instantanee a frecvenței de lucru.

10.3. Alegerea unei plăci de achiziții de date

Pentru alegerea corectă a unei plăci de achiziții de date trebuie analizate următoarele:

a) aplicația în care se va utiliza: în acest sens este foarte important de știut dacă placa va lucra într-un SAD (numai pentru achiziții de date) sau într-un sistem complet SAD+SGD (de achiziții și generare de date). De regulă, în activități de cercetare se utilizează plăci de achiziții integrate numai în SAD iar în sistemele automate se folosesc plăci de achiziții multifuncționale cu mai multe canale de intrare/ieșire;

b) numărul de canale de intrare/ieșire este legat de numărul parametrilor care trebuie monitorizați la intrarea într-o aplicație, respectiv de numărul parametrilor care trebuie reglați în proces (la ieșire).

c) intrările pentru achiziții de date trebuie să fie analizate din următoarele puncte de vedere:

intrările analogice comparativ cu cele numerice: de cele mai multe ori intrările, provenind de la traductoare sunt analogice dar sunt și situații în care semnalele de intrare sunt numerice;

intrările singulare(simple) față de cele diferențiale se referă la modul în care cablurile de legătură sunt conectate la intrările analogice; intrările simple au nevoie de un singur fir pentru fiecare canal, în timp ce intrările diferențiale necesită două fire. Intrările simple se utilizează atunci când măsurătorile analogice trebuie să fie făcute față de o masă externă comună și nu există posibilitatea de a aduce la sistemul de achiziție de date atât masa de la distanță cât și masa analogică.

Configurația diferențială este indicată în următoarele situații: când se măsoară semnale care au tensiuni de nod comun ridicate (ca în cazul mărcilor tensometrice), când trebuie efectuate măsurători de la mai multe traductoare care nu au o masă comună (prin conectarea tuturor terminalelor LOW ale traductoarelor la un punct comun se pot produce curenți de masă care pot genera erori de offset și zgomote) și atunci când traductorul este amplasat la o distanță mare de sistemul de achiziție de date.

Deși intrările diferențiate sunt ceva mai scumpe și mai complicat de utilizat decât cele cu masă comună, ele asigură o protecție la zgomote mai bună.

In general plăcile de achiziții de date au 16 canale singulare sau 8 diferențiale, selectabile prin comutatoare sau prin program.

nivelul tensiunii: valorile tensiunii la intrarea într-o placă de achiziții pot fi de 0…10 V sau 0…100 mV; tensiunile de intrare pot fi unipolare sau bipolare. Cele unipolare acceptă semnale care au tensiuni pozitive sau negative (0…10V sau –10….0 V); cele bipolare acceptă simultan tensiuni pozitive și negative(de ex.  5 V).

d) ieșirile trebuie cunoscute pentru a determina mărimea și tipul semnalelor care se vor aplica ulterior pe alte echipamente și pot fi analogice sau numerice.

Ieșirile analogice au valori diferite ale tensiunii (în funcție de natura aplicației) sau curenți care se încadrează între 4…20 mA.

In cazul ieșirilor numerice datele pot pleca din placa de achiziții în două moduri:

folosind întreruperile;

folosind accesul direct la memorie (în engleză DMA = Direct Memory

Access) care poate realiza viteze de transfer de peste 500 Hz.

În cazul transferurilor inițiate de întreruperi, apariția unei întreruperi determină oprirea programului care rula în acel moment și saltul la o rutină de tratare a întreruperii, care preia datele de la interfețele de achiziție, le depune în memorie și execută alte eventuale procesări înainte de a reda controlul programului întrerupt.

Transferurile prin acces direct la memorie se fac prin preluarea datelor de la interfețele de

achiziții și punerea lor direct în memoria calculatorului. După transferarea a 66 kB de date este necesară reprogramarea controlerului DMA. Pentru a se evita pierderea de date se poate folosi un tampon de memorie FIFO (în enleză FIFO = First In/First Out – primul intrat/primul plecat), care fiind amplasat chiar pe placa de achiziție, poate memora datele citite pe durata reprogramării. O altă soluție poate fi și instalarea unui al doilea canal DMA, ceea ce permite ca un canal să transfere date în timpul reprogramării celuilalt.

Se recomandă ca pentru transferuri lente să se folosească întreruperile iar pentru transferuri foarte rapide să se folosească DMA.

e) rezoluția unei plăci de achiziții de date este dependentă direct de rezoluția CAN (definește cea mai mică modificare detectabilă în semnalul de intrare) și se exprimă prin numărul de biți care rezultă din conversia analog-numerică.

Rezoluția poate fi exprimată și în procente, ca fiind inversul numărului posibil de

combinații ce se pot realiza cu biții rezultați din conversie. De exemplu un convertor de 8 biți poate realiza 28 = 256 de combinații posibile. In acest caz rezoluția exprimată în procente este 1/256 x 100 = 0,39 %. Dacă vrem să măsurăm un semnal de 10 V folosind acest convertor, rezoluția cu care vom putea măsura semnalul de intrare va fi 10/256 = 0,039V. Folosind un convertor pe 12 biți, numărul de combinații posibile crește la 212= 4096 de combinații posibile iar rezoluția în procente va fi 1/4096 x 100 = 0,024 %. Rezoluția cu care putem măsura un semnal de intrare de 10 V va fi în acest caz 0,0024 V, deci net superioară.

În general convertoarele cu rezoluții ridicate sunt mai scumpe și mai lente decât cele corespunzătoare cu rezoluții mai mici.

f) viteza (rata) de eșantionare reprezintă o caracteristică importantă a unei plăci de achiziții și arată viteza cu care placa poate să realizeze conversia analog-digitală a unui semnal de pe un canal de intrare și să identifice valoarea discretă a acestuia în momentul eșantionării. Se exprimă de obicei în eșantioane/secundă și mai rar în Hz. Conform teoriei, un sistem de achiziție de date trebuie să eșantioneze cu o frecvență de cel puțin două ori mai mare decât cea mai mare frecvență care există în semnalul de intrare (conform teoremei lui Shannon). In practică se recomandă ca frecvența de eșantionare să fie de cel puțin patru ori mai mare ca frecvența maximă a semnalului, pentru a preveni fenomenul de aliasing. Trebuie ținut seama și de faptul că vitezele mari de eșantionare ocupă rapid memoria calculatorului. Aceasta înseamnă că timpul cât sistemul poate să eșantioneze date este la fel de important ca și viteza de eșantionare. Pentru a asigura suficient timp de eșantionare poate apărea necesitatea de a instala RAM suplimentar pe calculator sau soft de acces foarte rapid la disc (numit “disk streamer”).

Nu trebuie uitat și faptul că frecvența de eșantionare pentru un canal este dată de rata maximă de eșantionare a CAN împărțită la numărul de canale active (care conțin semnale de eșantionat).

g) modul de declanșare(în enleză triggering). Conversia analog-digitală trebuie să fie inițiată direct de către ceasul din hard-ul calculatorului sau de către un ceas extern. Sistemele care folosesc rutine soft pentru declanșarea conversiei sunt pasibile de erori. Declanșările din hard permit un control mai bun al achiziției de date și reduc consumul de memorie.

Trebuie avut în vedere și modul de eșantionare: în unele cazuri achiziția de date trebuie să înceapă atunci când se primește un semnal de declanșare, alteori achiziția se încheie la primirea unui semnal; sunt și situații în care datele se achiziționează înainte și după un semnal de declanșare. Aceste două ultime moduri de declanșare, pre-trigger și post- trigger, sunt utile atunci când datele ce trebuie achiziționate cuprind și starea experimentului înainte și după producerea unui eveniment.

h) prețul de cost al unei plăci de achiziții de date este dependent de toate aspectele

enumerate mai sus. Acesta crește cu cât placa are mai multe canale de intrări/ieșiri, rezoluția este mai ridicată, rata de eșantionare este mai mare și are mai multe posibilități de adaptare la diverse echipamente și facilități de lucru

Circuite de condiționare a semnalului

Cuprins:

11.1 Circuite de atenuare

11.1.1 Noțiuni generale

11.1.2 Atenuatoare de tip „T”

11.1.3 Atenuatoare de tip „”

11.2 Filtre

11.2.1 Filtre RC

11.2.2 Filtre active

11.3 Amplificatoare

11.4 Circuite de conversie

Condiționarea semnalului include operațiile de prelucrare realizate asupra semnalului achiziționat înaintea conversiei analog numerice propriu-zise. Circuitele de condiționare a semnalelor realizează de fapt adaptarea între senzorul de la intrare și convertorul analog numeric (A/N sau CAN). În esență, aceste circuite transformă un semnal electric într-un alt semnal electric, prelucrat, tipul operației de prelucrare diferind în funcție de scopul urmărit.

Scopul principal al unui circuit de condiționare este de a modifica semnalul de ieșire al senzorului la parametrii ceruți de sistemul de achiziție a datelor, în principal de convertorul A/D. Cele mai importante cerințe ale majorități sistemelor de achiziție a datelor sunt:

Semnalul de intrare în sistem trebuie să fie o tensiune. Deoarece convertoarele A/D lucrează în tensiune, mărimea de intrare în sistem trebuie să fie o tensiune proporțională cu mărimea fizică măsurată de senzor.

Domeniul dinamic al semnalului de intrare trebuie să fie cât mai apropiat de domeniul dinamic al sistemului de achiziție pentru ca rezoluția convertorului A/D să fie maximă.

Impedanța de intrare a sistemului de achiziție trebuie să fie cât mai mică.

Lărgimea de bandă a semnalului de intrare trebuie să fie limitată la mai puțin de jumătate din rata de eșantionare a convertorului A/D

Pe lângă aceste cerințe principale mai există și alte cerințe ce sunt determinate de tipul aplicației. Unele dintre acestea sunt:

Izolarea semnalului. În unele aplicații este necesară izolarea galvanică a senzorului de sursa de tensiune. Aceasta se poate face în două moduri: magnetic sau optic. Izolarea magnetică se realizează prin plasarea în circuit a unui transformator. În cazul izolării prin metode optice în circuit se va plasa un LED și un fotodetector.

Preprocesarea semnalului. În multe cazuri este utilă o preprocesare a semnalului de intrare în sistemul de achiziție a datelor. În funcție de aplicație, preprocesarea poate micșora timpul de achiziție, poate executa anumite funcții ale sistemului de achiziției simplificându-i structura internă, poate micșora rata de eșantionare, etc.

De exemplu un accelerometru generează o tensiune proporțională cu valoarea accelerației obiectului monitorizat, dar pentru o anumită aplicație este suficientă doar informația dacă accelerația corpului este mai mare sau mai mică decât o anumită valoare. În aceste condiții circuitul de preprocesare va compara valoarea de la ieșirea senzorului cu valoarea dorită și va genera sistemului de achiziție un semnal în termeni de adevărat sau fals – practic va genera tensiune doar când valoarea accelerației este mai mare decât valoare de prag (în acest caz nu mai este nevoie de convertorul A/D).

Eliminarea semnalelor nedorite. Este de preferat ca semnalul de intrare în sistem să fie cât mai bine „curățat” de semnalul de zgomot înainte ca acesta să fie amplificat și digitizat.

11.1 Circuite de atenuare

11.1.1 Noțiuni generale

Atenuatoarele sunt circuite care reduc nivelul de putere al unui semnal, în mod ideal fără modificarea frecvenței, distorsiuni sau reflexie (fig.11.1). Semnalul de ieșire este redus raportat la semnalul de intrare.

Atenuatoarele pot fi fixe (fig. 11.2) sau variabile (fig. 11.3).

Un atenuator fix reduce nivelul de putere al unui semnal cu o cantitate predeterminată, dar acesta trebuie să fie proiectat cu atenție cu privire la caracteristicile de intrare și ieșire ale semnalelor implicate.

Un atenuator variabil are o gamă de atenuare specificată, care îl face adaptabil la diferite condiții de circuit.

Fig. 11.1.

Atenuarea circuitului poate fi exprimată în decibeli prin relațiile:

pentru tensiune

pentru putere

Tabelul 1. Valori ale coeficientului de atenuare în dB.

11.1.2 Atenuatoare de tip „T”

Schema de principiu a acestor atenuatoare este următoarea:

Fig. 11.4. Atenuator „T”.

a) Atenuator de tip „T” simetric

Zin = Zout = Z , R1 = R2

Fig. 11.5. Atenuator de tip „T” simetric.

Relații:

Dacă se cunosc R1, R2 și R3, impedanțele de intrare și de ieșire se vor determina cu relația:

iar factorul de atenuare K, va fi:

b) Atenuator de tip „T” asimetric

Zin Zout

Fig. 11.6. Atenuator de tip „T” asimetric.

Relații:

c) Atenuator de tip „T” variabil

Un atenuator fix se poate transforma într-un atenuator variabil prin introducerea de rezistoare variabile (potențiometre) în schema acestuia.

Exemplu – Atenuator de tip „T-podit”

Fig.11.7.

11.1.3 Atenuatoare de tip „”

Schema de principiu a acestor atenuatoare este următoarea:

Fig.11.8. Schema de principiu.

a) Atenuatoare de tip „” simetrice

Zin = Zout = Z, R1 = R3

Fig. 11.9. Atenuator de tip „” simetric.

Relații

Pentru a calcula impedanțele de intrare și de ieșire în cazul în care se cunosc elementele componente, se va utiliza relația:

b) Atenuatoare de tip „” asimetrice

Fig. 11.10. Atenuator de tip „” asimetric.

Relații

11.2 Filtre

11.2.1 Filtre RC. Funcționarea filtrelor RC se bazează pe variația reactanței condensatorului cu frecvența (fig. 7.11):

rezultând filtrele trece-jos trece-sus, și trece bandă din figurile 11.12, 11.13 și 11.14.

Fig. 11.11. Variața reactanței condensatorului cu frecvența.

Fig. 11.14. Caracteristica FTJ.

Fig. 11.15. Caracteristica FTS.

Fig. 11.16. Caracteristica FTB.

11.2.2 Filtre active

În general filtrele active utilizează un amplificator operațional.

Fig. 11.17. FTJ cu amplificator operațional.

Fig. 11.18. FTS cu amplificator operațional.

Fig. 11.19. FTB cu amplificator operațional.

11.3 Amplificatoare

Amplificatorul operational (AO) este un circuit integrat de bază, indispensabil în majoritatea aplicațiilor care implică prelucrarea analogică a semnalelor, regăsindu-se inclusiv în structura circuitelor de eșantionare-memorare, conversie analog-numerică și numeric-analogică.

V0 – tensiunea de decalaj la intrare (10-25 µV…1-2 mV),

IB (+), IB (-) − curenții de intrare (0,003…200 nA),

A – amplificarea (104 …107),

Zd – impedanța de mod diferențial (108…1012 Ω),

Zc – impedanțele de mod comun (109…1012 Ω),

Z0 – impedanța de ieșire (zeci-sute de Ω).

În plus, în funcție de aplicație, mai pot fi considerați și parametrii de zgomot, care în schema echivalentă pot fi reprezentați printr-o sursă tensiune de zgomot (Vn) în serie cu Vd și două generatoare de curent de zgomot plasate în paralel cu IB (+), IB (-)

11.3.1 Amplificatoare inversoare

Cele mai obișnuite circuite folosite în condiționarea semnalului sunt amplificatoarele inversoare, figura 11.20

Figura 11.20 Amplificator inversor

Factorul de amplificare este dat de raportul . Mărimea semnalului de ieșire al senzorului poate fi adus la nivelul cerut de sistemul de achiziție alegând anumite valori pentru rezistențele din circuit. Amplificatorul inversor va determina și o modificare a impedanței de intrare în sistem de la aproximativ R1 la o impedanță aproape egală cu zero. Este important de subliniat faptul că amplitudinea semnalului de ieșire a amplificatorului inversor este limitată de tensiunea de alimentare a amplificatorului, figura 11.21

Figura 11.21 Limitarea tensiunii de ieșire a amplificatorului

La fel ca în cazul domeniului dinamic, amplificatorul inversor va limita și lărgimea de bandă a semnalului. Amplificatorul operațional are un produs amplificare – bandă constant și este specificat de producător. Dacă de exemplu produsul amplificare – bandă are valoarea de 3 MHz, și factorul de amplificare este setat la 100 atunci lărgimea de bandă a semnalului de ieșire a amplificatorului va fi de 30 kHz ()

Un alt factor important de limitare este zgomotul. Toate amplificatoarele operaționale introduc în semnalul de ieșire un semnal de zgomot. Mărimea și caracteristicile semnalului de zgomot sunt specificate de producător. Zgomotul introdus se datorează agitației termice și are valoarea , unde k este constanta lui Boltzmann, T este temperatura, B este lărgimea de bandă și R este valoarea rezistenței. Subliniem faptul că valoarea semnalului de zgomot va fi cu atât mai mare cu cât valoarea rezistenței este mai mare.

Un alt factor de limitare este tensiunea de offset a amplificatorului operațional. La toate amplificatoarele operaționale apare o cădere de tensiune între terminalul inversor și cel neinversor. Această tensiune (numită tensiune de offset) este apoi amplificată ca și cum ar face parte din tensiunea generată de senzor.

11.3.2. Amplificatoare neinversoare

O altă configurație des folosită a amplificatorului este prezentată în figura 11.22.

Figura 11.22 Amplificatorul neinversor

Factorul de amplificare a acestui circuit este dat de raportul . Impedanța de intrare tinde spre infinit (este limitată numai de impedanța de intrare a amplificatorului operațional) iar impedanța de ieșire este aproximativ egală cu zero. Acest circuit este ideal pentru senzorii care au o impedanță de ieșire mare și deci sunt influențați de curentul consumat la intrare de sistemului de achiziție a datelor.

Dacă R1 = 0 și R2 este deschis (îndepărtat), atunci factorul de amplificare este egal cu unu. Acest tip de circuit, prezentat în figura 11.23, este denumit în mod uzual buffer cu câștig unu sau în mod simplu buffer.

Figura 11.23 Buffer cu câștig unu

Adunarea și scăderea semnalelor

Amplificatoarele operaționale pot fi folosite la adunarea a două sau a mai multor semnale, figura 11.24

Figura 11.24 Amplificatoare sumatoare

Tensiunea de ieșire a acestui circuit este . Circuitul poate fi folosit la combinarea mai multor semnale provenite de la mai mulți senzori, de exemplu de la o rețea de microfoane.

Amplificatoarele operaționale pot fi folosite de asemenea și la operația de scădere a două semnale, figura 11.25.

Figura 11.25 Amplificator diferențial

Acest tip de circuit este folosit în mod frecvent la îndepărtarea semnalelor de offset nedorite. Se poate folosi și la eliminarea diferenței de tensiune dintre masa senzorului și masa sistemului de achiziție (așa numita buclă de masă).

Tensiunea de ieșire a circuitului este dată de formula ,unde V2 ar putea fi tensiunea de ieșire a senzorului iar V1 tensiunea ce trebuie eliminată.

11.4 Circuite de conversie

Deoarece semnalul de intrare în sistem trebuie să fie o tensiune, în continuare vom analiza câteva circuite de conversie a semnalului în tensiune electrică

11.4.1 Conversia curent – tensiune

Pentru anumiți senzori, semnalul de ieșire nu va fi sub forma de tensiune electrică ci de curent electric. Cel mai comun senzor de acest tip este fotodioda: va genera un curent electric proporțional cu intensitatea luminoasă incidentă. Pentru acest tip de senzor circuitul de condiționare va converti curentul electric într-o tensiune electrică proporțională. Circuitul de conversie ales va trebui sa aibă o impedanță de intrare cât mai mică, pentru a nu consuma curentul generat de senzor.

Pentru realizarea acestei conversii, în mod uzual, se va folosi un amplificator inversor deoarece un amplificator inversor va consuma foarte puțin curent, figura 11.26.

Figura 11.26 Fotocelulă conectată la un circuit de conversie curent-tensiune.

De observat faptul că circuitul este identic cu un amplificator neinversor la care s-a înlăturat rezistenta de intrare. Cu cât va crește intensitatea luminii incidente pe fotodiodă cu atât va crește curentul generat de fotodiodă și în mod proporțional va crește tensiunea de ieșire a circuitului de condiționare .

11.4.2 Conversia rezistență electrică – tensiune

Există senzori ce au ca răspuns la interacțiunea cu un măsurand modificarea valorii rezistenței. Ca exemplu amintim senzorii FSR – își modifică valoarea rezistenței în funcție de intensitatea forței aplicate, termistorii – își modifică valoarea rezistenței în funcție de temperatură, etc. În toate aceste cazuri este necesară conversia rezistenței dispozitivului într-o tensiune electrică măsurabilă. În continuare prezentăm câteva circuite de conversie.

Există două modalități de conversie a rezistenței în tensiune electrică. Prima și cea mai simplă cale este de a aplica o tensiune unui sistem compus dintr-un rezistor de referință și rezistorul senzorului conform figurii 11.27.

Figura 11.27 Conversia resistență – tensiune

Căderea de tensiune de pe senzor (sau de pe rezistența de referință) este trecută apoi printr-un buffer (amplificator cu factor de amplificare unu). Tensiunea de ieșire a circuitului va fi:

Problema ce apare folosind această metodă de măsurare a rezistenței este aceea că amplificatorul va amplifica întreaga cădere de tensiune de pe senzor. Ar fi mult mai indicat dacă s-ar putea amplifica numai variația tensiunii ce apare ca urmare a modificării rezistenței senzorului. Acest lucru se poate obține prin folosirea unei punți de măsură, figura 11.28.

Figura 11.28 Punte de rezistențe conectată la un amplificator operațional

Dacă considerăm Rx = R0(1+ δ), atunci valoarea tensiunii de ieșire va fi:

,

unde pentru o utilizare mai precisă n < 50, iar δ reprezintă variația rezistenței senzorului corespunzătoare unei anumite acțiuni fizice.

În continuare vom prezenta modul de conversie a variației rezistenței a unui senzor FSR în tensiune electrică.

Metoda de interfațare a FSR-ului cu sistemul de achiziție a datelor este prezentată în figura 11.29

Figura 11.29 Un senzor FSR într-o configurație divizoare de tensiune

În acest caz RF din figura va fi rezistența FSR-ului. O creștere a intensității forței aplicate va determina o scădere a valorii rezistenței RF, deci o creștere a valorii tensiunii de ieșire. Folosind acestă configurație tensiunea de ieșire nu va fi funcție liniară de forță Pentru a se obține un răspuns liniar, va trebui adoptată o altă configurație a circuitului de măsură.

O altă modalitate de măsurare este de a măsura curentul electric ce trece prin dispozitiv și apoi folosirea unui amplificator operațional pentru conversia curentului în tensiune, figura 11.30.

Figura 11.30 Măsurarea curentului din FSR

Intensitatea curentului prin FSR este proporțională cu intensitatea forței aplicate pe suprafața senzorului, pe un anumit interval această funcție este una liniară. Tensiunea de ieșire a circuitului va fi:

.

Deoarece , tensiunea de ieșire Vout va fi proporțională cu forța. Deoarece intrarea neinversoare a amplificatorului operațional este legată la masă, curentul ce trece prin FSR va fi egal cu raportul , deci tensiunea de ieșire a circuitului va putea fi calculată cu relația: .

11.4.3 Conversia capacitate – tensiune

Proprietățile electrice ale condensatoarelor sunt folosite de majoritatea senzorilor studiați până acum în conversia fenomenului fizic în semnal electric. Principalul motiv îl constituie proprietatea funcției de transfer a condensatorului de a varia direct proporțional cu distanța dintre cele două armături ale condensatorului. Această proprietate a condensatorul îl face deosebit de util în măsurătorile vibrațiilor de mică amplitudine. Condensatorul poate fi folosit de asemenea și la măsurările de distanțe relativ mari.

O altă proprietate a condensatoarelor este aceea că proprietățile electrice ale condensatorului sunt dependente de materialul dintre armături, adică dependentă de constanta dielectrică a materialului. Astfel că senzorii capacitivi pot fi folosiți la detectarea prezenței unor obiecte în interiorul armăturilor.

Capacitatea poate fi măsurată, la fel ca și intensitatea curentului, în două moduri: printr-un circuit divizor de tensiune sau o punte de măsură. In configurația circuitelor se vor folosi in loc de rezistențe condensatoare. Există totuși o diferență, tensiunea trebuie să fie alternativă deoarece condensatoarele blochează tensiunile continue. Deoarece impedanța condensatorului este invers proporțională cu frecvența trebuie să fim de asemenea atenți la frecvența tensiunii de referință: o frecvență prea mică va determina o impedanță mare a senzorului, deci senzorul va deveni foarte zgomotos, iar o frecvență prea mare va determina impedanță mică a senzorului existând pericolul ca semnalul generat de senzor să fie acoperit de zgomotul produs de alte dispozitive.

Conversia analog – digitală și digital – analogică

Cuprins:

12.1 Multiplexoare și demultiplexoare

12.2 Conversia analog – numerică a semnalelor.

12.2.1 Circuite de eșantionare – memorare. Funcționare. Caracteristici.

12.2.2 Convertoare analog-numerice

12.3 Convertoare digital – analogice

12.1 Multiplexoare și demultiplexoare

Multiplexorul analogic este o componentă electronică ce conține o baterie de comutatoare analogice, cu ieșirile legate împreună, numărul de comutatoare determinând numărul de canale de intrare. Comanda de închidere și deschidere a comutatoarelor este efectuată printr-o intrare de selectare a canalului, care este o intrare logică, conținând unul sau mai mulți biți.

Fig. 12.1. Multiplexor analogic.

Multiplexorul digital are o funcționare similară cu cel analogic: pentru a selecționa o intrare, trebuie comandat multiplexorul cu ajutorul unei adrese codate (n biți), iar numărul de intrări poate atinge valoarea N=2n. Dacă în sistem se utilizează mai multe asemenea circuite de multiplexare, selecția unui anumit circuit, la un moment dat, se realizează cu ajutorul semnalului “validare”.

Fig. 12.2. Schema funcțională a multiplexorului digital

Structura unui circuit de demultiplexare a semnalelor analogice cuprinde circuitele de eșantionare și memorare CEM. Aceste circuite sunt comandate în faza de “eșantionare” câte unul, în funcție de semnalul adresă canal, la momentul dat de semnalul de validare.

Fig. 12.3. Structura unui circuit de demultiplexare analogică

12.2 Conversia analog – numerică a semnalelor. Convertoare analog-numerice

Pentru a putea fi acceptate de calculator în vederea prelucrării numerice semnalele analogice trebuiesc convertite în semnale numerice. În cadrul acestei conversii semnalul analogic este supus la trei operații succesive:

eșantionarea,

cuantificarea

codificarea.

Eșantionarea reprezintă o observare periodică a semnalului analogic, materializată printr-o succesiune de eșantioane prelevate la anumite intervale de timp.

Cuantificarea (cuantizarea) este operația prin care eșantioanelor prelevate de dispozitivul eșantionator li se asociază semnale de aceeași natură, dar cu amplitudinea bine determinată. Pentru aceasta, domeniul de variație al semnalului analogic de intrare este împărțit într-un anumit număr de subdomenii (nivele), de obicei egale între ele. Dispozitivul de cuantificare va stabili în urma unei corelații prestabilite cîte subdomenii cumulate corespund eșantioanelor de amplitudine prelevate și implicit, ce amplitudine vor avea semnalele de la ieșirea sa.

Deci, în urma eșantionării și cuantificării, unui semnal analogic cu o infinitate de valori în domeniul său de variație i se va atribui o mărime analogică de aceeași natură, dar cu un număr prestabilit de valori.

Eșantionarea se realizează în circuitele de eșantionare și memorare(CEM), iar cuantificarea și codificarea sunt operații realizate de convertoarele analog-numerice (CAN).

Codificarea este operația prin care fiecărui semnal rezultat în urma cuantificării i se atribuie un număr ce descrie valoric amplitudinea sa.

Un număr întreg zecimal N se exprimă în sistem binar natural printr-un șir de n + 1 cifre binare (n + 1biți): an an-1……………….. a1 a0

Valoarea exprimată în sistem zecimal este:

Unde:

Pentru convertoare N/A a1- MSB Most Significant Bit

an – LSB Least Significant Bit

Valoarea maximă a numărului zecimal: Nmax = 2n+1 – 1

Exemplu: numărul binar 101011 reprezintă în sistem zecimal valoarea:

N = = 43

Un număr fracționar X se poate reprezenta binar prin succesiunea: b1 b2………bn

Valoarea exprimată în sistem zecimal este:

Unde:

Valoarea maximă a numărului zecimal: Xmax = 1- 2n

Exemplu: numărul fractionar binar 01011 reprezintă în sistem zecimal valoarea:

Aproape în totalitate codificarea se realizează într-un cod binar. Cele mai folosite coduri binare sunt:

12.2.1 Circuite de eșantionare – memorare. Funcționare. Caracteristici.

Un circuit de eșantionare-memorare (CEM) realizează prelevarea unor eșantioane din semnalul analogic aplicat la intrarea sa și memorarea acestora pe durata conversiei analog-numerice.

Funcțional un CEM reprezintă un bloc care sub acțiunea unui semnal de comandă realizează cele două operații de eșantionare și de memorare.

CEM memorează valoarea semnalului de intrare, pe care îl transmite la ieșire. Această valoare se menține pe toată durata stării de memorare (M) impusă de semnalul de comandă.

Acest interval de timp trebuie să fie cel puțin egal cu timpul de conversie care este dat de CA/N. De regulă revenirea semnalului de comandă la starea logică “0” pentru prelevarea unui nou eșantion este comandată de CAN la sfârșitul procesului de conversie.

Schema echivalentă a unui CEM (fig.12.4) conține un comutator și un condensator.

Fig12.4 Schema echivalentă a unui CEM

Când comutatorul K este închis (corespunzător stării de eșantionare), condensatorul C se încarcă urmărind tensiunea de intrare care se regăsește la ieșire.

La comanda de memorare, comutatorul se deschide iar tensiunea de ieșire rămâne la valoarea din momentul respectiv.

Teorema lui Shannon. O funcție periodică X(t) care satisface condițiile dezvoltări în serie Fourier și conține K componente armonice, poate fi reconstituită fără erori pe baza a N eșantioane prelevate uniform dintr-o perioadă, dacă este satisfăcută condiția :

Valoarea maximă a perioadei de eșantionare va fi dată de relația:

adică este mai mică decât jumătatee din perioada T0/K a componentei cu cea mai mare frecvență din spectrul semnalului.

Frecvența de eșantionare trebuie să fie mai mare decât dublul frecvenței maxime din spectrul semnalului analogic: fe > 2fmax

12.2.2 Convertoare analog-numerice. Prezentare generală. Funcționare. Erori

Convertoarele analog-numerice (CA/N) realizează conversia esantioanelor prelevate din mărimea analogică de intrare într-o mărime numerică cu un număr finit de valori.Această operatie reprezintă de fapt o cuantizare în nivel a semnalelor de intare.

După modul de prelucrare a semnalului analogic convertoarele pot fi:

directe, convertesc nemijlocit tensiunea în cod numeric:

convertoare A/N paralel;

convertoare A/N serie-paralel;

convertoare cu aproximatii successive.

indirecte, care convertesc tensiunea analogică în durata sau frecvența unor impulsuri, transformate ulterior în cod numeric:

convertoare tensiune – timp cu simplă sau dublă integrare;

convertoare tensiune – frecvență.

hibride, care combină cele două tehnici de conversie.

Pentru realizarea unor acurateți ridicate și pentru reconstituirea semnalelor măsurate un rol important îl constitue cunoașterea caracteristicii de transfer și erorile caracteristice unui cuantizor. În figura 12.5 de mai jos sunt prezentate caracteristicile de transfer cu următoarele tipuri de erori:

eroarea de decalaj (off-set), de natură aditivă;

eroarea de proporționalitate (amplificare), cu caracter multiplicativ;

eroarea de neliniaritate.

Figura 12.5 Caracteristica de transfer statică și eroarea de cuantizare

Principalele caracteristici ale convertoarelor sunt:

Gama dinamică reprezentată prin numărul de niveluri de discretizare (cuante) sau numărul de biți;

Viteza sau timpul de conversie;

Acuratețea absolută prin care se compară valoarea reală obținută la ieșire cu cea teoretică sau acuratețea relativă care depinde de neliniaritate, fără să includă eroarea de amplificare sau de decalaj.

CA/N directe cu comparatie simultană de tip paralel.

La convertoarele analog-numerice de tip paralel valorile biților corespunzători reprezentării numerice se obțin simultan prin compararea instantanee a tensiunii măsurate cu tensiunile corespunzătoare fiecărui nivel de discretizare. Schema de principiu a CAN paralel este prezentată în figura 12.6. Tensiunea de referință se aplică unui divizor rezistiv format din n+1 rezistoare, ceea ce permite aplicarea la intrarea inversoare a fiecărui comparator, a unei tensiuni:

cu care se compară simultan tensiunea necunoscută Ux.

În funcție de mărimea acestei tensiuni (Ux < Ur), un număr de comparatoare, începând cu C1 vor fi în stare"1", iar pentru Ux > Ui, începând cu Ci+1 vor fi în stare "0". Această informație este decodificată în cod binar de către decodor. Pentru n biți sunt necesare 2n +1 comparatoare.

Figura 12.6 Convertor A/N paralel

De exemplu, pentru 8 biți sunt necesare 257 comparatoare, iar pentru 10 biți – 1025 comparatoare, ceea ce presupune o complexitate deosebită a schemei convertorului.

Principala calitate a convertorului A/N de tip paralel este rata de conversie extrem de ridicată, ce poate ajunge până la 500 MEPS (mega eșantioane/secundă); este de fapt cel mai rapid tip de CAN realizat cu circuite electronice. Viteza de conversie este limitată de timpul de propagare a tensiunii la comparatoare și schema logică de decodare, obținându-se frecvențe de ordinul 80MHz (8 biți) sau chiar 100MHz (6 biți).

CA/N de tip paralel își găsește aplicații, cu precădere, atunci când se cer viteze foarte mari de lucru ca prelucrarea semnalelor video. Din cauza vitezei mari de lucru, CA/N paralel nu necesită circuite de eșantionare și memorare, conversia realizându-se practic instantaneu.

C A/N serie-paralel

Deși realizează viteze de lucru mari, CA/N paralel cu un număr mare de biți este greu de realizat. O soluție de reducere a numărului de comparatoare este oferită de CA/N serie – paralel.

Figura 12.7 CA/N de tip serie-paralel

CA/N serie-paralel este compus din celule formate din perechi CAN paralel și CN/A de 4 biți, conectate între ele printr-o schemă adecvată. Conform figurii 14, semnalul Ux este aplicat primului CA/N paralel care realizează conversia primilor 4 biți; acești 4 biți sunt convertiți într-o tensiune de către CN/A, tensiune care este aplicată, împreună cu tensiunea de intrare, unui bloc de diferență. Tensiunea de intrare este aplicată prin intermediul unui circuit de întârziere τ, pentru a compensa întârzierile produse de propagare și procesul de conversie.

Pentru a se putea folosi același tip de celulă, semnalul diferență este amplificat de către amplificatorul A cu 24 =16, după care este aplicat celulei următoare.

Trebuie remarcat faptul că pentru un convertor de acest tip pe 8 biți sunt necesare 32 de comparatoare, comparativ cu 257 de comparatoare pentru un CA/N paralel, evident cu o scădere a vitezei de conversie.

CA/N cu aproximatii succesive

Principiul de functionare (fig. 12.8) constă într-un sir de operații de comparare între tensiunea de intrare ui și o tensiune de referință UR , ce se desfăsoară într-un număr de etape egal cu numărul n de biti ai numărului N de la iesirea convertorului.

Concret, în fiecare etapă se decide ce valoare corespunde bitului bi de rang i. Cele n comparări succesive sunt realizate de comparatorul C în ritmul impus de un generator de tact GT.

Registrul de aproximări succesive RAS contine un registru de n circuite basculante bistabile ce poate fi pozitionat în diferite moduri în raport de tensiunea de la ieșirea comparatorului.

Acest dispozitiv conduce convertorul numeric analogic CN/A, a cărui tensiune de iesire UR reprezintă numărul binar N existent la intrarea sa.

Specific acestui tip de convertor este faptul că modificarea tensiunii cu UR pe durata unei conversii prezintă următoarele aspecte :

primul salt al tensiunii UR este egal cu jumătate din valoarea maximă a tensiunii de intrare;

variatia la un moment dat al tensiunii UR, este jumătate din variatia suferită la tactul precedent ;

tensiunea UR scade sau creste după cum ui < UR , respectiv ui > UR

Figura 12.8 CA/N cu aproximații successive.

Tensiunea de intrare ui supusă procesului de conversie poate fi scrisă sub forma :

Bitii b1, b2…bn se obtin în urma comparatiei dintre tensiunea UR generată de CNA si ui Rezultatul acestei comparatii se materializează în valorile 0 sau 1 pentru fiecare bit.

În prima etapă se compară ui cu .Dacă , rezultă valoarea celui mai semnificativ (MSB) bit b1 = 1.

În etapa a doua se compară ui cu pentru a se decide valoarea celui de-al doilea bit b2.

Dacă de exemplu rezultă b2 = 0.Comparatiile continuă până la obtinerea bitului bn de semnificatie minimă (LSB).

Figura 12.9

Acest tip de CAN este cel mai utilizat în sistemele de achiziție a datelor. El are întotdeauna acelasi timp de conversie determinat de cele n perioade de tact. Eroarea de conversie depinde de exactitatea CA/N si de sensibilitatea comparatorului. Principalul dezavantaj al acestui tip de CA/N îl reprezintă slaba rejectie a semnalelor perturbatoare.

La apariția primului impuls de tact dat de oscilatorul pilot OP, blocul de logică, comandă și transfer BLCT, activează MSB, care produce la ieșirea CN/A tensiunea UCNA(1)=1//2Ur și se compară cu Ux , dacă Ux < UCNA(2), a1-MSB rămâne cu nivelul “1” logic, sau “0” logic în caz contrar. Următorul impuls de tact activează cel de-al doilea bit, determinând la ieșirea acestuia tensiunea UCNA(2)= (a12-1 + 2-2)Ur , cu care se compară din nou Ux cu a1 determinat anterior. Procesul continuă până la epuizarea tuturor biților corespunzători CN/A.

Aceste familii de convertoare analog digitale sunt destul de rapide și ieftine, de aceea sunt utilizate curent în sistemele de achiziții de date rapide. În aceste situații este indispensabilă asocierea la intrare a unui circuit de eșantionare și memorare (E/M) (AD 582 de exemplu și CA/D AD 571).

Pentru măsurători precise, utilizatorul trebuie să țină seama de faptul că și comparatorul de la intrarea CA/D este foarte sensibil la zgomot, precizia conversiei puțind fi compromisă.

12.3 Convertoare digital – analogice

Convertorul numeric analogic (CNA) acceptă ca mărime de intrare un semnal numeric (cod numeric) și furnizează la ieșire un semnal analogic (tensiune sau curent), dependent de valoarea numerică a semnalului de intrare și în concordanță cu codul numeric utilizat.

Pentru secvența de variabile binare [ak]=[a1, a2, …. ak, ….an], cu k = 1,2,…..n, prin care se exprimă semnalul numeric de intrare, ponderea cea mai mare în valoarea tensiunii de ieșire o are a1, cea care corespunde bitului de semnificație maximă (MSB, Most Significant Bit), iar ponderea cea mai mică corespunde bitului de semnificație minimă an, (LSB, Least Significant Bit).

Un parametru ce caracterizează convertorul N/A este capătul de scală (FSR, Full-Scale Range) și care reprezintă intervalul maxim de variație a semnalului de ieșire; acest parametru are valori tipice de 2.5 V, 5 V și 10 V pentru CNA cu ieșire de tensiune, respectiv 2 mA pentru CNA cu ieșire de curent. Capătul de scală se poate atinge numai din punct de vedere teoretic. Practic domeniul maxim (FR, Full Range) al unui CNA reprezintă valoarea mărimii analogice de la ieșirea convertorului dacă la intrare se aplică codul numeric cu valoarea maximă.

Principalele tipuri de CD/A sunt:

CD/A cu rezistențe ponderate;

CD/A cu rețea R-2R;

CD/A cu curenți ponderați;

CD/A cu rețea R-2R în scară inversă.

Convertoare digital – analogice cu rețea de rezistențe R-2R

Acest tip de CD/A utilizează două tipuri de rezistențe, relativ apropiate ca valoare. Comutatoarele sunt comandate de codul numeric. Există rezistoare de valoare R conectate în serie și rezistoare de valoare 2R conectate în paralel.

Valoarea analogică este suma curenților însumați de pe intrarea inversoare a amplificatorului operațional, care transformă curentul în tensiune.

Fiecare bit al rețelei este fixat de un comutator K ce conectează capetele rezistoarelor 2R fie la masă fie la tensiunea de referință Uref. Nodurile 0,1,2,..n sunt puncte de conexiune cu semnalele de comandă care pot fi de tensiune sau de curent. Rezistorul 2R conectat la masă se numește terminator și face ca în permanență rezistența măsurată între ieșire și masă să fie egală cu R. Se obțin o serie de avantaje la acest tip de rețea :

a) sunt utilizate doar două valori de rezistoare, apropiate ca valoare, ceea ce permite o realizare fizică mai ușoară în tehnologie monolitică ;

b) rezistența de ieșire este practic constantă indiferent de numărul aplicat la intrare ; se poate face atât o citire în tensiune cât și în curent

Fig. 12.10. Convertor digital – analogic de 4 biți cu rețea R-2R.

Există numeroase variante de CD/A de acest tip, diferența fiind mai ales în ceea ce privește comutatoarele. Dezavantajul major al acestui CD/A este viteza mică de conversie datorată procesului de inversare a curentului prin rezistența 2R la comutarea unui bit, care necesită descărcarea și încărcarea capacităților parazite ale comutatorului.

Convertoare digital – analogice cu curenți ponderați

Inconvenientul dispare dacă se utilizează curenți constanți și circulând în același sens. Principiul constă deci în a crea curenți ponderați I, 2I, 4I, 8I, etc. și a însuma acești curenți în funcție de codul numeric.

Alegerea lui I se face astfel încât ponderea curenților paraziți să nu se simtă, deci nu prea mic, dar nici prea mare pentru a nu încărca inutil consumul.

Fig. 12.11. Convertor digital – analogic cu curenți ponderați.

Acest tip de CD/A este realizat în general cu tranzistoare bipolare și numai în varianta integrată, singura capabilă să genereze tensiune VBE identice prin realizarea de suprafețe ale emițătorilor proporționale cu curenții de colector.

Acest tip de CD/A nu este totuși prea folosit datorită dificultății de a realiza surse de curent stabile.

Convertor digital – analogic cu rețea R-2R cu scară inversată

Aceasta familie ocupă la ora actuală un loc important grație prețului accesibil și performanțelor superioare celor ale montajelor precedente.

Structura de bază este o rețea R-2R, dar curenții în rezistența R-2R circulă mereu în același sens. Se pot utiliza rezistențe de valoare mare fără a compromite viteza de conversie, ceea ce permite micșorarea erorilor datorate rezistențelor de fugă (câteva sute de ohmi) ale comutatoarelor analogice.

Fig. 12.12. Convertor digital – analogic cu rețea R-2R în scară inversă.

Linii de comunicație pentru măsurători analogice și digitale.

Interfețe seriale

Cuprins:

13.1 Interfețe de comunicație. Generalități

13.2. Interfețe seriale

13.2.1 Noțiuni generale

13.2.2 SPI – Serial Peripheral Interface

13.2.3 Interfața I2C

13.2.4 Interfața RS-232

13.2.5 Interfața RS-485

13.1 Interfețe de comunicație. Generalități

Comunicația de date presupune existența a cel puțin 5 elemente (fig. 13.1):

transmițător;

mesaj;

interfață binară (digitală);

canal de comunicație;

receptor.

Fig. 13.1. Procesul de comunicație de date.

Comunicația în cadrul unui sistem automat de măsurare (SAM), se realizează prin intermediul unui sistem de interfațare care acoperă toate aspectele, pornind de la nivelul fizic (tip de conector, număr de linii și caracteristicile lor mecano-electrice, niveluri de tensiune asociate stărilor logice) și până la tehnicile de dialog dintre emițător și receptor.

Astfel se pot defini caracteristici calitative și cantitative ale rețelei de comunicație:

gradul de universalitate;

flexibilitatea;

siguranța comunicației;

viteza de transmisie;

distanța și numărul aparatelelor ce pot fi conectate;

Din punct de vedere al formatului de transfer al datelor interfețele pot fi:

– seriale (figura 13.2). La transferul serial informația este transmisă bit după bit, pe mai puține fire (minimum 2 fire, dintre care unul de referință, masa electrică), figura 13.2. Avantajele interfețelor seriale legate de prețul mai mic au dus la răspândirea acestor interfețe în majoritatea aplicațiilor.

paralele (figura 13.3).

Fig. 13.3. Schema bloc generală a interfeței paralele pe 8 biți.

La transferul paralel informația este transmisă pe mai multe linii (8, 16, 32, 64, 128 …), cu un număr de biți transmis la un impuls de tact egal cu numărul de linii, cuvintele fiind transmise succesiv, figura 13.3.

Diagrama de timp comprimată a transferului este dată în figura 13.4.

Fig. 13.4. Diagrama de timp a transferului.

În funcție de caracterul concentrat sau distribuit al sistemului automat de măsurare nivelurile de interfațare dintre componentele sistemului pot fi clasificate astfel:

nivelul 1, care caracterizează comunicația în cadrul SAM concentrate de tipul sistemelor de achiziție realizate prin cuplarea subsistemului de achiziție propriu-zis la magistrala internă a calculatorului;

nivelul 2, care caracterizează comunicația în cadrul SAM distribuite pe o suprafață restrânsă (distanța totală între aparate mai mică de 20m) și în care scop se utilizează interfețe de tip paralel;

nivelul 3, care caracterizează comunicația în cadrul SAM distribuite pe distanțe mari (< 1km) și utilizează interfețe de tip serial.

Pentru a se asigura la receptor tactul corect de recepție există mai multe variante, prezentate în figura 13.5.

Fig. 13.5. Variante de asigurare a tactului la recepție.

Figura 13.5a:

tactul de transmisie se transmite de la emițător la receptor pentru citire;

se asigură viteză mare, dar distanțele sunt mici;

costurile unui fir suplimentar sunt mari.

Figura 13.5b:

emisia și recepția se fac cu același tact, standard, cunoscut și de emițător și de receptor;

distanțele pot fi mari, nu apar costurile unui fir suplimentar;

viteza nu poate fi mare datorită faptului că între tactele standard există diferențe.

Figura 13.5c:

refacerea tactului din datele emise este cea mai modernă metodă folosită la cele mai multe aplicații actuale;

se pot asigura distanțe mari, costuri mici, viteze mari.

13.2. Interfețe seriale

13.2.1 Noțiuni generale

Interfețele seriale pot fi:

asincrone – SCI (Serial Communication Interface) sau UART (Universal asynchronous receiver / transmitter);

sincrone – SPI (Serial Peripheral Interface).

În general între microcontroler și alte subsisteme se utilizează o comunicație serială (pentru economie de pini la capsulă), dar multe microcontrolere au incluse atât interfețe de comunicare sincrone cât și asincrone.

Fig. 13.6. Comunicația sincronă (a) și asincronă (b).

Fig. 13.7. Comunicație simplex și duplex.

13.2.2 SPI – Serial Peripheral Interface

13.2.2 SPI (Serial Peripheral Interface) a fost dezvoltată de Motorola pentru a furniza o interfață simplă și de cost redus între microcontrolere și dispozitive periferice și operează în modul full duplex. Această interfață mai este numită și interfață cu patru fire și poate fi utilizată pentru interfațarea diverselor dispozitive, cum ar fi:

memorie (stocare date);

convertoare analog-digitale;

convertoare digital-analogice;

LCD drivers;

sensori;

alte microcontrolere etc.

Dispozitivele aflate pe bus sunt fie slave, fie master, masterul fiind cel care inițiază data frame-ul. Bus-ul permite interconectarea unui master cu mai mulți slave, folosind pentru selecția dispozitivului dorit semnalul chip select.

În standard sunt definite 4 semnale:

SCLK – semnalul de clock (output de la master);

MOSI/SIMO – Master Output, Slave Input (output de la master);

MISO/SOMI – Master Input, Slave Output (output de la slave);

SS – Slave Select (activ pe nivel logic „0”, output de la master). Semnal ce este folosit pentru a selecta slave-ul către care se transmit datele.

Alternativ mai sunt folosite și următoarele denumiri pentru semnale:

SCK, CLK – Serial Clock;

SDI, DI, SI – Serial Data In, Data In, Serial In;

SDO, DO, SO – Serial Data Out, Data Out, Serial Out;

nCS, CS, CSB, CSN, nSS, STE – Chip Select, Slave Transmit Enable.

Sunt posibile următoarele configurații:

a. Un singur slave. Cea mai simplă interconectare, în acest caz pinul de slave select poate fi conectat la masă.

Fig. 10.8.

Pe măsură ce se face transmisia serială către slave (prin linia MOSI), slave-ul transferă conținutul registrului său de serializare (prin linia MISO) către master. În acest fel se face schimb al informațiilor stocate în cele două registre de serializare.

b. Mai mulți slave, master-ul având un pin de slave select pentru fiecare din acești slave. Este cea mai comună metodă de interconectare prin bus SPI. După cum se vede, pinii MISO sunt interconectați, așa încât este necesar ca ei să fie pini tristate.

Fig. 10.9.

c. Mai mulți slave conectați la master prin intermediul unei conexiuni de tip daisy-chain: ieșirea primului slave este conectată la intrarea celui de-al doilea slave, etc. Port-ul SPI al fiecărui slave primește într-o primă etapă date pe care apoi, într-o a doua etapă, le copiaza întocmai pe ieșire. În acest caz nu e nevoie decât de un singur semnal de slave select.

Fig. 10.10.

În acest exemplu procesorul (master) transmite trei octeți prin interfața SPI:

primul octet e transferat în A;

la transferul celui de-al doilea octet în A, primul e transferat către B;

al treilea octet în A, al doilea în B și primul în C.

Dacă masterul dorește să citească un rezultat din A, el va transfera o secvență fictivă de 3 octeți prin MOSI.

Etapele parcurse în transmiterea datelor prin SPI sunt următoarele:

master-ul configurează clock-ul, frecvența aleasă fiind mai mică sau egală cu frecvența maximă admisă de slave. În mod normal acest lucru înseamnă o frecvență între 1 și 70 MHz;

masterul selecteză slave-ul prin negarea semnalului aferent repectivului dispozitiv. În cazul în care e nevoie de un timp de așteptare (de exemplu la conversia analogic digitală) master-ul se conformează așteptând până începe să transmită impulsuri de ceas;

în timpul fiecărui ciclu al ceasului are loc o transmisie full-duplex:

masterul transmite un bit pe linia MOSI iar slave-ul îl recepționează prin intermediul aceleiași linii;

slave-ul transmite un bit pe linia MISO iar masterul îl recepționează prin intermediul aceleiași linii.

În mod normal transmiterea unor date între master și slave implică mai multe cicluri de ceas. Când nu mai sunt date de transmis masterul oprește semnalul de clock și deselectează slave-ul prin trecerea semnalului pe nivel logic „1”.

Comunicația între master și slave se desfășoară, în mod normal, sub forma unor cuvinte de 8-biți, dar acest lucru nu constituie o regulă. Cuvinte de 16-biți sunt folosite de către controlerele de touchscreen sau de audio CODEC-uri. Cuvintele de 12-biți sunt comune pentru convertoarele digital-analogice și analogic-digitale.

13.2.3 Interfața I2C

Interfața I2C (Inter Integrated Circuits) este o interfață serie, apărută din necesitatea de a realiza sisteme ieftine cu microcontrolere, destinate în principal conducerii proceselor industriale. Un astfel de sistem este constituit, de regulă, dintr-unul sau mai multe microcontrolere și o serie de echipamente periferice (de intrare/ieșire, memorie etc.). I2C este o magistrală sincronă, bidirecțională, viteza datelor în mod standard este de 100 kbps, iar în mod extins de 400 kbps. Fiecare dispozitiv conectat la I2C are o adresă unică și poate lucra ca transmițător sau receptor. Această interfață I2C mai este numită TWI (Two-Wire serial Interface).

Realizarea unui sistem I2C presupune interconectarea unor circuite integrate (specializate) prin numai trei linii: două de semnal și una de alimentare. Cele două linii de semnal sunt denumite "serial data" (SDA) și "serial clock" (SCL). Fiecare circuit integrat are o adresă unică și poate funcționa fie ca transmițător, fie ca receptor, în funcție de tipul circuitului. De exemplu, un circuit pentru comanda unui afișaj cu cristale lichide poate fi numai receptor, în timp ce un circuit de memorie RAM poate fi atât transmițător cât și receptor (evident, nu simultan). Dintr-un alt punct de vedere, un circuit integrat din sistem poate fi coordonator sau executant.

Fig. 13.11. Interfața I2C.

Pentru a înțelege mai bine noțiunile prezentate, în figura 13.12 se prezintă un exemplu de sistem realizat pe structura I2C și se consideră următoarele situații:

microcontrolerul A dorește să transmită date microcontrolerului B;

microcontrolerul A dorește să recepționeze date de la microcontrolerul B.

Transferul datelor între cele două microcontrolere are loc după cum urmează.

Fig. 13.12. Sistem realizat pe structura I2C.

În cazul a):

microcontrolerul A (coordonator) adresează microcontrolerul B (subordonat);

microcontrolerul A (emițător coordonator) transmite date microcontrolerului B (receptor subordonat);

microcontrolerul A încheie transferul.

În cazul b):

microcontrolerul A (coordonator) adresează microcontrolerul B (subordonat);

microcontrolerul A (receptor coordonator) primește date de la microcontrolerul B (transmițător subordonat);

microcontrolerul A încheie transferul.

Obs: în ambele cazuri microcontrolerul A (coordonatorul) inițiază și încheie transferul. Totodată, el este cel care generează semnalele de tact în ambele cazuri.

În figura 13.13 liniile sunt conectate la tensiunea pozitivă prin rezistoare de pull-up, astfel că în repaus sunt la nivel HIGH.

Când linia este liberă atât SDA cât și SCL sunt la nivel SUS (fig. 13.13). O tranzacție pe I2C începe cu SDA tras JOS, urmat de semnal pe SCL. Dacă SCL este SUS, iar pe SDA se face o tranziție SUS-JOS urmează o transmisie ("START condition“). Pentru fiecare bit de date transmis (SDA) valoarea logică trebuie să se păstreze neschimbată pe durata SCL în stare SUS. Valoarea binară de date e eșantionată pe frontul crescător al SCL. Tranzacția se încheie cu SCL SUS și o tranziție jos-sus pe SDA ("STOP condition“).

Doar un master poate genera semnal de ceas pe SCL.

Fig. 13.13.

13.2.4 Interfața RS-232

Standardul RS-232 C, introdus de Electronic Industries Association (EIA), definește caracteristicile electrice ale unei interfețe dintre un echipament numeric – numit în standard Data Terminal Equipment (DTE)si un modem – denumit de standard Data Communications Equipment (DCE). Denumirea completă a interfeței RS-232C este: Interface Between Data Terminal Equipment and Data Communi-cation Equipment Employing Serial Binary Data Interchange. Litera C vine de la ultima revizie făcută standardului.

Standardul RS-232C acoperă patru domenii:

1. Caracteristicile mecanice ale interfeței.

2. Semnalele electrice.

3. Funcția fiecărui semnal.

4. Subset de semnale pentru aplicații specifice.

Fig. 13.14. Conectoare seriale: a. Conector DB25 (tată) conectat la DTE;

b. Conector DB25 (mamă) conectat la DCE (modem);

c. Conector DB9 (tată) conectat la DTE;

d. Conector DB9 (mamă) conectat la DCE.

Semnificația pinilor pentru conectorul DB9:

Semnificația pinilor pentru conectorul DB25:

Standardul specifică patru tipuri de linii: linii de date (4), linii de control (11), linii de sincronizare (3) și linii de masă (2). Un semnal de date este considerat pe "1" logic dacă potențialul față de masă al liniei respective este cuprins între -3 V și -25 V, (de regulă între -3 V și -25 V la recepție și între -5 V și -25 V la generare). Pentru "0" logic potențialul liniei de date este cuprins între +3 V și + 25 V.

În figura 13.15 sunt prezentate zonele admise și interzise pentru palierele semnalelor vehiculate de către interfața RS 232. Timpul petrecut în zona de tranziție trebuie să fie mai mic de 4 % din durata necesară transmiterii unui bit. Această cerință limitează capacitatea maximă admisă pentru cablu la 2500 pF, deci și lungimea maximă a cablului.

Fig. 13.15. Nivele logice corespunzătoare interfeței RS-232C.

Pentru liniile de control, polaritatea potențialelor asociate lui “1” și “0” logic sunt inversate față de liniile de date. Liniile de control sunt considerate în starea "ON" dacă sunt pe "1" logic (potențial pozitiv) și în starea "OFF" dacă sunt în "0" logic (potențial negativ). Semnalele electrice sunt astfel generate încât scurtcircuitarea oricăror linii ale interfeței să nu conducă la defectarea echipamentelor.

Evident că pe durata scurtcircuitului interfața, funcție de pinii scurtcircuitați, este posibil să nu funcționeze, dar o dată cu îndepărtarea scurtcircuitului toate funcțiile de interfață pot fi reluate.

Standardul RS-232 C cuprinde două tipuri de canale: un canal primar ce operează la viteze ridicate de transfer și care este dedicat transferului de date și un canal secundar, de viteză redusă, dedicat informației de control. La rândul său, canalul secundar poate fi divizat într-un canal auxiliar pe care se transmit date independent de canalul primar și un canal de răspuns asociat canalului primar. Pe canalul de răspuns, direcția de transmitere a datelor este întotdeauna inversă față de direcția de transmitere a datelor pe canalul primar.

Obs:

majoritatea aplicațiilor folosesc doar canalul primar;

există două legături la masă: pinul 1 este “împământare” și folosește la legarea între ele și la pământ a carcaselor dispozitivelor și pinul 7 care este masa de referință a semnalelor (neutilizarea ambelor legături poate să fie cauza unor erori).

Semnalele de date sunt definite din punctul de vedere al DTE și pentru canalul principal sunt două astfel de semnale:

transmisie date (TD), (Tx) -pinul 2;

recepție date (RD), (Rx) -pinul 3.

DTE trebuie să țină semnalul Tx în starea logică "1" (potențial negativ) atunci când nu se transmit date precum și în intervalul dintre caractere. DTE nu poate activa semnalul Tx dacă semnalele de control RTS, CTS, DSR și DTR nu sunt în starea logică "1" (ON, potențial pozitiv).

Semnalul recepție date Rx trebuie ținut pe "1" logic atâta timp cât semnalul de control "DATA CARRIER DETECT" (DCD) este OFF. În transmisia "half-duplex" RD este pe "1" atunci când RTS este ON.

Canalul secundar are la pinii 14 și 16 semnale de date analoage cu cele prezentate anterior. Procedura de “handshake” la RS 232 este ilustrată în figura 10.16.

Fig. 13.16. Procedura de “handshake” la RS-232.

Atunci când se face transmisie serială, trebuie să existe o cale de a împiedica transmițătorul să transmită noi date înainte ca receptorul să fi avut șansa să termine prelucrarea datelor anterioare. Protocolul este numit comunicare cu confirmare (handshaking), sau controlul fluxului de date (flow control). Conform acestui protocol după transmiterea unui octet (sau pachet de date), transmițătorul nu va mai trimite nimic până la confirmarea că receptorul este gata pentru o nouă transmisie.

Există trei forme de handshaking:

hardware;

software;

fără confirmare.

No-handshaking:

se utilizează atunci când transmisia este mult mai lentă decât procesul de recepție. De exemplu, dacă se folosește un sistem simplu ce lucrează la 1 MHz și care transmite date către un calculator de mare viteză ce lucrează la 4 GHz, chiar dacă viteza de prelucrare a receptorului este foarte mare, dacă mașina rulează un sistem de operare obișnuit, pot exista situații când nu face față la fluxul de date de intrare. În aceste situații, o soluție practică bună este să se includă handshaking;

dacă se folosește un port serial pentru a furniza o interfațăa calculatorului cu un utilizator uman, este sigur că omul nu poate tipări suficient de repede ca să pună calculatorul în dificultate. Ca urmare, dacă utilizați porturile seriale doar pentru accesul utilizator, sau pentru depanare, nu este nevoie de handshakin.

Hardware handshaking:

utilizează două semnale ale interfeței RS-232C:

RTS (Request To Send);

CTS (Clear To Send);

când transmițătorul dorește să transmită, activează RTS, anunțând receptorul că sunt date de furnizat;

receptorul activează CTS atunci când este gata să recepționeze noi date fluxul de date este limitat la viteza cu care acestea pot fi prelucrate.

Software handshaking:

este cunoscut și sub numele XON/XOFF;

se utilizează doar la sistemele unde nu se poate implementa protocolul hardware, așa cum se întâmplă la transmisia prin linie telefonică;

software handshaking folosește două caractere pentru a indica o cerere de suspendare a transmisiei („suspend transmission”), respectiv un caracter de gata pentru reluare („clear to resume”). Acestea sunt caracterele Ctrl-S (0x13) și Ctrl-Q (0x11).

dacă se transmite doar text ASCII, totul va fi OK;

dacă se transmit date binare, datele pot fi interpretate ca și caractere de control. Soluția obișnuită constă în pre-procesarea datelor înainte de transmisie, prin conversie în caractere ASCII. De exemplu octetul 0x2F se transformă în caracterul ASCII „2” (0x32) plus „F” (0x46).

Semnalele de control pot fi utilizate în totalitate sau numai o parte dintre ele. Se descrie în continuare funcția fiecărui semnal de control.

REQUEST TO SEND (RTS)(pinul 4) are drept sursă DTE și anunță că există date de transmis. În cazul legăturilor de tip simplex sau duplex punerea pe ON ("1" logic) a liniei RTS determină trecerea modemului (DCE) în modul „transmite". În legătura de tip half-duplex, starea ON a semnalului RTS pune DCE în modul "transmite" și totodată inhibă modul "recepție". O dată ce semnalul RTS trece în starea OFF el nu mai poate fi readus în starea ON decât cu condiția ca semnalul CLEAR TO SEND (CTS) să fi fost comutat în starea OFF de către DCE.

Semnalul CLEAR TO SEND (CTS)(pinul 5) are ca sursă DCE și constituie răspunsul modemului la semnalul RTS. Dacă CTS este în starea ON, transmiterea datelor poate începe. Dacă CTS este în starea OFF, DTE nu poate transmite date. Modemul ține CTS în starea ON numai dacă liniile de control DATA SET READY (DSR) și DATA TERMINAL READY (DTR) sunt în starea ON.

Semnalul DATA SET READY (DSR)(pinul 6) dă informații despre starea în care se găsește modemul în sensul că este pus sub tensiune, este pornit și gata să primească date pentru a le transmite pe linia telefonică. Este un răspuns al modemului la semnalul DTR emis de echipamentul numeric (DTE). Punerea lui DSR în starea ON nu înseamnă că întreg circuitul telefonic este stabilit, ci doar că modemul local este pregătit pentru utilizare.

Semnalul DATA TERMINAL READY (DTR) – pinul 20 – în starea ON anunță că DTE este în functiune și se dorește conectarea lui DCE la interfață. Dacă DTR devine OFF, DCE este deconectat din lanțul de comunicație după ce s-a terminat comunicarea aflată în curs de derulare.

Semnalul RING INDICATOR (RI) -pinul 22 – este pus în starea ON atunci când DCE anunță DTE că s-a primit un semnal de apel.

Semnalul DATA CARRIER DETECT (DCD) – pinul 8 este pus în starea ON atunci când DCE este în măsură să anunțe DTE că pe linia telefonică a fost detectată existența purtătoarei. Dacă nu există purtătoare sau nivelul acestuia este insuficient, DCD trece în starea OFF.

Dacă parametrii purtătoarei se mențin în limitele prescrise un timp mai îndelungat, există o mare probabilitate ca schimbul de informație ce urmează a fi efectuat să se desfășoare fără erori. Acest lucru este semnalizat de către DCE prin punerea în stare ON a liniei SIGNAL QUALITY DETECTOR -pinul 21.

Semnalul DATA SIGNAL RATE SELECTOR -pinul 22 -este pus în starea ON atunci când se selectează o viteză de transfer mai mare.

Semnalele de control SECONDARY REQUEST TO SEND, SECONDARY CLEAR TO SEND și SECONDARY DATA CARRIER DETECT au pentru canalul secundar același rol cu semnalele RTS, CTS și DCD pentru canalul primar.

Semnalele de sincronizare se utilizează doar în cazul comunicației sincrone, de altfel foarte rar folosită de către interfața RS-232 C.

TRANSMITTER SIGNAL ELEMENT TIMING (DTE SOURCE) are ca sursă DTE și marchează mijlocul fiecărui bit transmis.

RECEIVER SIGNAL ELEMENT TIMING este folosit de DCE pentru a marca mijlocul fiecărui bit recepționat.

Cel de-al treilea semnal TRANSMITTER SIGNAL ELEMENT TIMING (DCE SOURCE) este folosit de DTE pentru a schimba datele ce se transmit pe linia de date (TxD). Data se modifică atunci când semnalul de sincronizare are o tranziție din starea OFF în starea ON.

Semnalele de masă sunt două: împământarea – pinul 1 – ce realizează legarea echipotențială a carcaselor DTE și DCE și masa de semnal – pinul 7 – ce reprezintă potențialul de referință pentru celelalte semnale.

După cum se observă din figura 10.17, aplicația tipică a interfeței RS-232 C

presupune o comunicare de tip asincron, utilizează doar canalul primar și acceptă faptul că linia telefonică este într-o stare foarte bună;

în plus, aplicația tipică nu utilizează linia RI. În schimb, se utilizează ambele linii de masă

Fig. 13.17. Utilizarea liniilor într-o aplicație tipică a interfeței RS-232C.

13.2.5 Interfața RS-485

Caracterizare:

RS-485 este o interfață pentru legarea dispozitivelor într-o rețea de cost scăzut în aplicații industriale;

permite mai multor noduri să schimbe informații prin două fire;

RS-485 este o arhitecturăa master-slave – toate tranzacțiile sunt inițiate de master, iar sclave-ul transmite doar atunci când i se cere acest lucru.

Moduri de conectare a interfeței:

Fig. 13.18.

Fig. 13.19.

Fig. 13.20.

Fig. 13.21.

Protocoale de comunicație

Cuprins:

14.1 Noțiuni generale

14.2 Protocolul de comunicație Fieldbus

14.3 Protocolul de comunicație Profibus

14.4 Protocolul de comunicație HART (Highway Addressable Remote Transducer)

14.5 Protocolul TCP/IP

14.1 Noțiuni generale

Un protocol de comunicație reprezintă un set de reguli necesare pentru a transmite informație printr-un canal de comunicație. Regulile se aplică pentru reprezentarea datelor, pentru transmisie, autentificare și detectare de erori ce pot apărea în timpul transmisiei.

Un protocol de comunicație trebuie să îndeplinească următoarele cerințe:

să fie ușor de implementat – se realizează prin împărțirea protocolului în nivele interconectate (un nivel interacționează cu cel de deasupra și cel de dedesubt), fiecare nivel realizând un anumit număr de operații. Cel mai utilizat model este modelul OSI (Open System Interconnection Basic Reference Model) ce are 7 nivele.

Fig. 14.1 Modelul OSI.

siguranța – se referă la detectarea erorilor și corectarea lor (măsura calității protocolului este dată de numărul de biti eronati / număr de biți transmiși)

flexibilitate – se referă la capacitatea protocolului de a descoperi problemele topologice ale rețelei.

14.2 Protocolul de comunicație Fieldbus

Fieldbus este numele unei familii de protocoale pentru controlul în timp real a unei rețelele de calculatoare industriale distribuite, și este standardizat prin IEC 61158.

Fig. 14.2.

Un sistem industrial complex, automatizat, de exemplu o linie de asamblare, are nevoie de un sistem ierarhizat de control pentru a funcționa. În această ierarhie există la un nivel superior o interfață Om–Mașină (HMI – Human Machine Interface), de unde un operator poate monitoriza și controla întregul sistem. Această interfață comunică cu următorul nivel, care de obieci este reprezentat prin controlere logice programabile (PLC), printr-un sistem care poate fi în timp real sau nu, de exemplu Ethernet.

Magistrala Fieldbus conectează PLC-urile la componentele care realizează diferite acțiuni (senzori, motoare, console, întrerupătoare, contacte etc.), figura 14.2.

Sistemele analogice de control care produc semnale 4-20mA care sunt transmise între senzori și unitățile de procesare. Necesitatea transmiterii acestor semnale de la un nivel nivel la altul în sistemul ierarhizat de control a dus la apariția unui număr foarte mare de cabluri (cu atât mai mult în cazul unui sistem complex). Fieldbus rezolvă această problemă, fiind construită ca o magistrală comună la care senzorii și toate celelalte componente să fie conectate.

În figura 14.3 este prezentată schema de cablare pentru o magistrală Fieldbus, la o navă comercială, unde DPU sunt blocurile de procesare a semnalelor.

Fig. 14.3

14.3. Protocolul de comunicație Profibus

PROFIBUS (Process Field Bus) este cel mai popular tip de „fieldbus” PROFIBUS definește capabilitățile funcționale și tehnice ale unei magistrale seriale, cu ajutorul căreia controlerele digitale pot fi conectate împreună cu dispozitive master și slave.

Din punct de vedere al utilizatorului, PROFIBUS asigură trei versiuni ale protocolului de comunicație PROFIBUS:

PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification), oferă utilizatorului o gamă extinsă de funcții de lucru în diferite domenii. (implementarea acestui protocol este mai dificilă decât a celorlate variante);

PROFIBUS-DP (Decentrallised Periphery) este cea mai rapidă variantă de PROFIBUS (2ms pentru transferul a 1Kbyte de date) și este un protocol optimizat pentru comunicația între sisteme automatizate descentralizate;

PROFIBUS-PA (Process Automation) a fost special proiectat pentru automatizarea de procese.

Fig. 14.4 Implementarea modelului ISO/OSI la PROFIBUS.

Nivelul fizic pentru protocoalele DP/FMS

În versiunea de bază, pentru cabluri ecranate și torsandate, Nivelul 1 al PROFIBUS implementează o trasmisie simetrică a datelor conform cu standardul EIA RS 485, cunoscut și H2. Linia magistralei, din cadrul unui segment de magistrală, este realizată dintr-o pereche de conductoare ecranate și torsandate terminate la ambele capete. Viteza de transmisie a datelor poate fi stabilită între 9,6 kbit/s și 12 Mbit/s. Rata de transfer selectată este valabilă pentru toate dispozitivele conectate la magistrală.

Procedura de transmisie folosită pentru PROFIBUS este de tip semi-duplex, asincronă, bazată pe o sincronizare fără întreruperi denumită „gap free”. Datele sunt transmise într-o grupare de caractere de 11 biți, în cod NRZ (Non Return to Zero). Forma semnalului, în timpul tranziției binare de la „0” la „1”, nu se modifică în timpul transmisiei biților.

Fig. 14.5 Gruparea de caractere PROFIBUS.

În timpul transmisiei, „1” binar corespunde unui nivel pozitiv pe linia RxD/TxD-P (Receive/Transmit-Data-P) numită și linia A, în opoziție cu RxD/TxD-N (Receive/Transmit-Data-N) numită și linia B. Stării de pauză dintre două telegrame independente îi corespunde „1” binar.

Fig. 14.6 Forma semnalului în timpul transmisiei NRZ.

Lungimea maximă permisă pentru o rețea sau segment PROFIBUS depinde de viteza de transmisie selectată. Numărul maxim de noduri (stații) care pot funcționa împreună pe un segment PROFIBUS este de 32.

Liniile de date A și B trebuie terminate conform standardului EIA RS 485 cu un rezistor “pull-down” față de DGND, respectiv cu un rezistor “pull-down” față de VP. Acești doi rezistori asigură o întrerupere (pauză) de potențial bine definită în situațiile când nici o stație nu emite pe linia de magistrală (atunci când linia de magistrală se află într-o pauză între două telegrame).

Cablurile de fibră optică din plastic sau sticlă pot fi folosite deasemenea ca mijloc de transport a datelor, pentru distanțe de până la 15 Km cele din fibra de sticlă, și 80 m cele din fibră de plastic.

14.4 Protocolul de comunicație HART (Highway Addressable Remote Transducer)

De multi ani standardul comunicatiei de câmp pentru echipamentele din procesele de automatizare a reprezentat-o semnalul analogic de curent mA. Acesta variază în intervalul 4-20 mA în funcție de variația mărimii de proces. În aplicații un semnal de 4 mA corespunde limitei de jos (0%) din scală și 20 mA va corespunde limitei de sus (100%). În principiu toate sistemele instalate folosesc acest standard internațional pentru a comunica informațiile variabilelor de proces între echipamentele din automatizare.

Comunicarea HART are loc între două dispozitive HART, de obicei un senzor (slave) și un sistem de monitorizare sau de control (master). Comunicarea are loc folosind instrumentatie și cablare standard.

Fig. 14.7 Comunicarea simultană analogică și digitală.

HART asigură două canale de comunicație simultan: semnalul analog de 4-20 mA și un semnal digital. Semnalul de 4-20 mA comunică valorile masurate primare (în cazul unui instrument din teren) folosind o buclă de curent de 4-20 mA – cel mai rapid și mai sigur standard industrial. Adițional informații despre dispozitiv sunt comunicate folosind un semnal digital care este suprapus pe semnalul analog. Semnalul digital conține informatți de la dispozitiv care includ starea, diagnoza, măsuri adiționale sau valori calculate, etc. Împreună cele două canale de comunicație asigură soluția completă de comunicație, care este ușor de configurat, robustă și la un pret scăzut.

Deoarece dispozitivel HART suporta standardul 4-20 mA, pot fi folosite cu orice sistem care lucrează cu dispozitive 4-20mA.

Fig. 14.8

Protocolul HART se bazează pe principiul Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying). Semnalul digital este format din două frecvențe 1,200 Hz si 2,200 Hz reprezentate de 1 și 0. Sinusoidele celor două frecvențe sunt suprapuse pe firul de curent continuu al semnalului analog pentru a asigura o comunicare analoaga și digitală simultană. Pentru că valoarea medie a semnalului FSK este întotdeauna zero, semnalul analog 4-20 mA nu este afectat. Pentru comunicare se impune o impedanță minimă a buclei de 230 Ohmi.

Fig. 14.9 Comunicarea digitală a semnalului suprapus cu semnalul analog 4-20mA.

Pentru a evita interferența cu semnalul de comunicație HART care se suprapune peste semnalul continuu, banda de trecere a semnalului de ieșire la un traductor compatibil HART este limitată la 25 Hz. maxim, cu un filtru cu alternarea de 40 dB / decadă.

Receptorul HART este proiectat să rejecteze orice semnal dreptunghiular cu amplitudine de 16 mA, care trece printr-un astfel de filtru.

Sunt două moduri de comunicare disponibile cu tehnologia HART: Request-Response Mode și Burst Mode.

Modul Request-Response (master-slave)

Partea digitală a comunicării o constitue protocolul request-response, care în timpul operării normale, comunicația fiecarui dispozitiv este inițiată printr-o cerere de la un dispozitiv gazdă – cunoscut ca master. Doi masteri pot să se conecteze la fiecare buclă HART. Primul Master este în general un sistem de control distribuit (DCS), programmable logic controller (PLC), sisteme de management active sau computere personale PC rulând o aplicație. Al doilea Master este în general un terminal mobil sau un alt PC cu o aplicație HART. Dispozitivele HART includ transmitere, servomotoare, debitmetre, valve, analizoare și controlere care răspund comenzilor Master-ului primar sau secundar.

Fig. 14.10 Modul Request-Response (master-slave)

Modul Burst

Unele dispozitive HART, suportă modul opțional de comunicare burst. Modul burst face capabilă o comunicare mai rapidă (3-4 actualizări pe secundă). În acest mod, Master-ul comandă dispozitivul să transmită în continuu (broadcast) un mesaj de răspuns standard HART (ex, valoarea unei variabile de proces). Master-ul recepționează mesajul la o rată înaltă până când comandă dispozitivul să oprească transmisia (bursting-ul). Acest mod permite ca dispozitive multiple să fie conectate într-o schemă multidrop.

Fig. 14.11 Modul Burst.

14.5 Protocolul TCP/IP

Suita de protocoale TCP/IP reprezintă cel mai flexibil protocol de transport disponibil și permite computerelor din întreaga lume să comunice între ele, indiferent de tipul sistemului de operare ce rulează pe ele.

Numele său provine de la:

TCP (Transmission Control Protocol) – care face fragmentarea mesajelor în pachete și asigură transmiterea corectă a mesajelor între utilizatori. Pachetele unui mesaj sunt numerotate, putându-se verifica primirea lor în forma în care au fost transmise și reconstituirea mesajelor lungi, formate din mai multe pachete.

IP (Internet Protocol) – asigură livrarea pachetelor numai dacă în funcționarea rețelelor nu apar erori. Dacă un mesaj este prea lung, IP cere fragmentarea lui în mai multe pachete. Transmiterea pachetelor IP se face între calculatoare gazdă și nu direct între programele de aplicație.

Protocolul TCP/IP are patru niveluri: Aplicație, Transport, Internet, Rețea.

El păstrează nivelurile Transport și Internet (Rețea) ale modelului OSI ca niveluri individuale și comasează într-un singur nivel – Aplicație, nivelurile Aplicație, Prezentare, Sesiune, și într-un nivel – Rețea, nivelurile de sub nivelurile Legătură de date și Fizic.

Fig. 14.12

TCP este folosit intens de multe din cele mai cunoscute protocoale ale aplicatiilor Internet, dintre care fac parte The Web ( World Wide Web ), E-mail ( posta electronica ) , FTP ( File Transfer Protocol – protocol de transfer de fisiere ), Secure Shell ( protocol de comunicatie securizata ) si cateva aplicatii de media.

IP (Internet Protocol) este un protocol care asigură un serviciu de transmitere a datelor, fără conexiune permanentă. Acesta identifică fiecare interfață logică a echipamentelor conectate printr-un număr numit „adresă IP”. Versiunea de standard folosită în majoritatea cazurilor este IPv4. În IPv4, standardul curent pentru comunicarea în Internet, adresa IP este reprezentată pe 32 de biți (de ex. 192.168.0.1).

Internetul este în proces de evoluție către versiunea următoare de IP, numită IPv6, care practic așteaptă un utilizator major, care să oblige folosirea acestei versiuni superioare și de către alții.

IPv4

Fig. 14.13. Formatul unei adrese IP în format zecimal și binar.

Adresele IPv4 au o lungime de 32 de biți (4 octeți). Fiecare adresă identifică o rețea (network) și o stație de lucru (work station) din cadrul rețelei. Notația obișnuită este obținută prin scrierea fiecărui octet în formă zecimală, separați între ei prin puncte. De exemplu, 192.168.0.1(10) este notația folosită pentru adresa

11000000.10101000.00000000.00000001(2).

Clase de adrese

La începuturile Internetului, adresele IPv4 se împărțeau în 5 clase de adrese, notate de la A la E. Împărțirea se făcea în funcție de configurația binară a primului octet al adresei, astfel:

Fig. 14.14. Clasele de adrese IP.

Adresele rețelelor au toți biții de stație 0 și nu pot fi folosite pentru o stație. În plus, mai există și adrese de difuzare, care au toți biții de stație 1.

Pentru identificarea stațiilor se folosesc numai adresele de clasă A până În plus, există două intervale de adrese de clasă A nefolosite în INTERNET:

Intervalul 0.0.0.0 – 0.255.255.255 nu se folosește, pentru a nu fi confundat cu ruta implicită;

Intervalul 127.0.0.0 – 127.255.255.255 este folosit numai pentru diagnosticarea nodului local (întotdeauna acesta va fi cel care va răspunde la apelul unei adrese din aceasta clasă).

Din păcate, această metodă risipea multe adrese IP, iar odată cu răspândirea Internetului a apărut pericolul epuizării spațiului de adrese. Pentru a soluționa această problemă, la începutul anilor '90 au fost concepute mai multe soluții:

adrese private;

CIDR;

VLSM.

Metodele de mai sus aveau rolul de a prelungi viața lui IPv4. În plus, a fost conceput și un nou protocol, IPv6.

Adrese private

Dispozitivele neconectate nu au nevoie de o adresă IP unică. Pentru aceste dispozitive au fost standardizate adresele private. Aceste adrese nu sunt unice la nivelul Internetului și de aceea nu sunt rutate de dispozitivele de nivel 3. În RFC 1918 au fost definite trei intervale rezervate pentru adresare privată:

adrese rezervate pentru clasa A: 10.0.0.0 – 10.255.255.255;

adrese rezervate pentru clasa B: 172.16.0.0 – 172.31.255.255;

adrese rezervate pentru clasa C: 192.168.0.0 – 192.168.255.255.

Nu este obligatoriu ca fiecare bloc de adrese să fie alocat unei singure rețele. De obicei, administratorul de rețea va împărți un bloc în subrețele; de exemplu, multe rutere pentru uz personal folosesc subrețeaua 192.168.0.0 – 192.168.0.255 (192.168.0.0/24).

Subrețele

Atât adresele IPv4 cât și cele IPv6 folosesc subnetarea, care constă în împărțirea adresei IP în două părți:

adresa de rețea;

adresa de stație.

Folosind o mască de rețea, calculatorul poate determina unde să împartă adresa IP (conform standardului RFC 950).

Subnetarea a apărut ca soluție pentru problema epuizării spațiului de adrese IP. Odată cu subrețelele a apărut distincția între adresarea "classfull" (care ține cont de clasele de adrese) și adresarea "classless" (care oferă suportul pentru câmpul de subrețea).

În 1992 au fost introduse și mecanismele de rutare pentru adresarea classless. Aceste mecanisme vizau atât protocoalele de rutare (CIDR), cât și protocoalele rutate (VLSM).

IPv6

Fig. 14.15. O adresă IPv6 în binar și hexazecimal.

IPv6 este un protocol dezvoltat pentru a înlocui IPv4 în Internet. Adresele au o lungime de 128 biți (16 octeți), ceea ce este considerat suficient pentru o perioadă îndelungată. Teoretic există 2128, sau aproximativ 3,403 × 1038 adrese unice. Lungimea mare a adresei permite împărțirea în blocuri de dimensiuni mari și implicit devine posibilă introducerea unor informații suplimentare de rutare în adresă.

Adresele IPv6 sunt scrise de cele mai multe ori sub forma a 8 grupuri de câte 4 cifre hexazecimale, fiecare grup fiind separat de două puncte (:).

De exemplu, 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7334 este o adresă IPv6 corectă

Copyright Notice

© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.

Acest articol: 1. Sisteme de monotorizare distribuite folosite la nave 1.1 Sisteme achizitii date. Noțiuni generale 1.1.1 Definiție. Generalități. Achiziția de date… [301740] (ID: 301740)

Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.

1. Sisteme de monotorizare distribuite folosite la nave 1.1 Sisteme achizitii date. Noțiuni generale 1.1.1 Definiție. Generalități. Achiziția de date… [301740]

Copyright Notice

Journal of Engineering Studies and Research Volume 17 (2011) No. 1 77 [619172]

Constituțiile statelor lumii [625457]

An. Inst. de Ist. G . Barițiu din Cluj-Napoca, Series Humanist ica, tom. XV, 2017, p. 197210 SĂ ȘTII CE ȘI SĂ ȘTII CUM SĂ PREDAI. [627904]

Specializarea: Română Franceză [615143]

FACTORI DE PROGNOSTIC ÎN TUMORILE OSOASE MALIGNE LA COPIL Conducător Științific CONF. DR. ARGHIRESCU SMARANDA T i m i ș o a r a 2 0 1 6 II CUPRINS… [601959]

Parcurgerea a mii de mile [306110]

Copyright Notice

Similar Posts