Sisteme Multisenzoriale Pentru Monitorizarea Parametrilor de Mediu

CUPRINS

INTRODUCERE …………………………………………………………………………. 7

Capitolul 1: SISTEME DE MONITORIZARE A MEDIULUI………………………… 9

Definiția monitorizării …………………………………………………………………. 9

Monitorizarea-sistem de supraveghere și control a parametrilor mediului ……..……. 10

Proiectarea unui system de monitorizare ……………….……………….……………. 13

Sistem de monitorizare a parametrilor mediului-structura hard și soft ………………. 13

Implementarea unui system de monitorizare a mediului ……………….…………….. 15

Modele de organizare a procesului de monitorizare ……………….………………… 19

Sistem de monitorizare a parametrilor de mediu utilizând tehnologii wireless pentru transmiterea datelor ……………….……………….………….………………….…… 20

Introducerea în domeniul tehnologiilor de transmisie wireless a datelor ………… 20

Module de comunicare wireless ZIGBEE ……………….……………….……….. 20

Sistem de monitorizare ……………….……………….………….……………….. 21

Exemplu de echipament complex pentru monitorizarea parametrilor de mediu …….. 22

Capitolul 2: SENZORI ÎN MONITORIZAREA PARAMETRILOR DE MEDIU … 24

2.1. Considerații generale. Ce este senzorul? ..……………….…………………………..… 26

2.2. Clasificarea senzorilor ……………….……………….……………….……………… 25

2.2.1. Contaminarea factorilor de mediu ……………….……………….……..………… 25

2.2.2. Senzori pentru determinarea compușilor care alcătuiesc în mod natural factorul de

mediu ……………….……………….……………….………………………………………….. 26

2.2.3. Mărimi dependente de factorii naturali sau climatici ……………….……….……. 26

2.3. Erori întâlnite în procesul de măsurare ……………….……………….…………….. 27

2.4. Caracteristici și performanțe generale ale senzorilor ……………….……………… 27

Capitolul 3: TIPURI DE SENZORI FOLOSIȚI ÎN MONITORIZAREA PARAMETRILOR DE MEDIU …………………………………………….…………… 28

3.1. Senzori de umiditate ……………….……………….………….………………..…… 28

3.1.1. Moduri de definire a unității aerului ……………….………….…………………… 28

3.1.2. Punctual de rouă ……………….……………….……………….…………………. 29

3.1.3. Umiditatea relative ….…………….……………….…………………………………. 29

3.1.4. Clasificarea senzorilor de umiditate ……………….……………….………………. 30

3.1.5. Senzor de umiditate cu oscillator de cuarț ……………….………….…..………… 30

3.1.6. Criterii pentru selectarea unui sensor pentru măsurarea umidității …………….… 31

3.1.7. Higrametru capacitive cu dielectric polimer ……………….………….…………… 32

3.1.8. Senzori de umiditate semiconductori ……………….……………………………… 32

3.1.9. Higrametre cu condensație ……………….……………….………….…….……… 34

3.1.10. Alți senzori de măsurat umiditatea …………………………….……………….…… 36

3.2. Senzori de presiune ……………….……………….……………….……….………… 37

3.2.1. Definire presiune ……………….……………….………….…………….………… 37

3.2.2. Higrometre de absorție ……………….……………….………….…………….…. 38

3.3. Senzori de temperature ……………….……………….……………………….….…… 39

3.3.1. Generalități ……………….……………….……………….……………….……… 39

3.3.2. Termometre cu dilatare ……………….……………….……………….…………… 39

3.3.2.1. Termometrul bimetallic ……………….……………….…………….…….. 39

3.3.2.2. Termometrul din sticlă cu mercur ……………….……………….………. 40

3.3.2.3. Termometrul cu volum constant de fluid ……………….………….…….. 41

3.3.3. Termometrul thermoelectric ……………….……………….………….…………… 42

3.3.4. Senzori rezistivi de temperature ……………….……………….……………..…… 42

3.3.5. Termistori ……………….……………….……………….………….………..……. 44

3.4. Alte modele de senzori de monitorizare a parametrilor de mediu ……………….…… 45

3.4.1. Senzor electric pentru măsurare vitezei în aer ……………….………….………… 45

3.4.2. Senzor măsurare oxygen în aer ……………….……………….………….………… 46

Capitolul 4: SISTEME MULTISENZORIALE PENTRU MONITORIZAREA PARAMETRILOR DE MEDIU ……………….……………….………….……………. 47

4.1. Sistemul multisenzorial ……………….……………….……………….……………… 47

4.2. Clasificarea sistemelor multisenzoriale ……………….………….…………….…….. 47

4.3. Arhitecturi de sisteme multisenzoriale ……………….……………….……………… 48

4.3.1. Arhitecturi cu senzori discreți ……………….………………..…………….……… 49

4.3.2. arhitecturi cu senzori inteligenți (sisteme multisenzoriale integrate) ……………… 50

4.4. Realizări și tendințe în domniul sistemelor multisenzoriale ……………….….………. 51

4.4.1. Generații de senzori și sisteme multisenzoriale ……………….…………………… 51

4.4.2. Microsisteme senzoriale integrate ……………….……………………….………… 51

4.4.2.1. Microsisteme unisenzoriale ……………….………………………….…… 51

4.4.2.2. Microsisteme multisenzor ……………….……………….………………… 52

4.4.2.3. Microsisteme multisenzor cu microelemente de execuție ………….…….. 53

4.4.2.4. Microsisteme inteligente multisenzor ……………….…………………… 53

4.5. Domenii de aplicație ale sistemelor multisenzoriale ……………….………………… 54

Capitolul 5: DATE EXPERIMENTALE ……………….……………….……….…….. 56

5.1. Arduino uno …………….……………….……………….………….…………………. 56

5.1.1. Descriere …………….……………….……………….………….………………… 56

5.1.2. Specificații …………….……………….……………….………….………………… 57

5.2. Senzorul de umiditate și temperatură SHT 11 ……………….…………………………. 57

5.2.1. Descriere ……………….……………….……………………….…………………… 57

5.2.2. Conectarea la Arduino ……………….……………….………….………………..… 58

5.2.3. Specificații tehnice ……………….……………….……………….…….…………… 58

5.2.4. Dimensiuni ……………….……………….……………….………….……………… 59

5.2.5. Schemă-diagramă ……………….……………….……………….……….……….… 59

5.3. Senzorul de umiditate și temperatură SHT 25 ……………….…………………….…… 59

5.3.1. Descriere ……………….……………….……………….………….…………….…. 59

5.3.2. Specificații ……………….……………….……………….………….……………… 60

5.3.3. Dimensiuni ……………….……………….…………………………….……………. 61

5.3.4. Schemă-diagramă ……………….……………….……………….…………..……… 61

5.4. LCD ……………….……………….……………….…………………………..……… 62

5.4.1. Descriere ……………………………………………………………………….…….. 62

CONCLUZII ……………….……………….……………….………….………….……… 63

BIBLIOGRAFIE ……………….……………….……………….………….…….………. 64

INTRODUCERE

Dată fiind importanța măsurărilor de mediu, s-a impus necesitatea conceperii și realizării unor mijloace de măsurare și monitorizare a parametrilor de mediu. De-a lungul timpului au apărut și s-au dezvoltat numeroase principii, metode și instrumente care permit măsurarea cu precizie a parametrilor fizici, chimici și biologici, în diverse domenii.

Problema monitorizării parametrilor de calitate ai aerului și apei reprezintă una din preocupările științifice actuale cele mai importante la nivel mondial. Ea presupune împletirea a două domenii vaste: ecologia și metrologia. Cu alte cuvinte, proiectarea, realizarea și utilizarea unui sistem de monitorizare a parametrilor de mediu necesită cunoașterea unor aspecte generale legate de natura, sursele și efectele substanțelor urmărite.

Tendința actuală este de a utiliza sisteme automate flexibile, fixe sau portabile, capabile să realizeze analiza sau monitorizarea în timp real a unei game variate de parametri de mediu. Soluția conturată în ultimul timp constă în combinarea unor elemente de detecție simple, ușor de realizat (senzori) cu procedee de prelucrare a informației de măsurare.

Senzorii sunt dispozitive care sesizează variația unui parametru din sistem prin emiterea de semnal corespunzător, corelat cu mărimea (intensitatea) parametrului respectiv. Senzorii au rolul de a transforma anumiți parametri ai sistemului în mărimi de altă natură. Parametrul de transformat formează semnalul de intrare al traductorului, iar cel transformat semnal de ieșire.

Monitorizarea mediului constă dintr-o serie de activități privind supravegherea, evaluarea, prognoza, avertizarea și intervenția organelor și organizațiilor interesate în legătură cu evoluția calității mediului, ce au în vedere evaluarea sistematică a dinamicii caracteristicilor calitative ale factorilor de mediu, în scopul cunoașterii stării de calitate și semnificație ecologice a acestora, a evoluției și implicațiilor sociale ale schimbărilor produse, urmate de măsuri care se impun.

Monitorizarea mediului inconjurător este esențială în evaluarea evoluției resurselor naturale, iar instrumentele de achiziție, procesare și modelare a parametrilor de mediu sunt folosite pentru a extinde rezultatele monitorizării în timp și spațiu.

De-a lungul timpului, senzorii au evoluat de la un simplu element sensibil (capabil să detecteze o singură mărime pe care să o transmită într-o formă analogical primară), până la sisteme multisenzoriale integrate sau senzori inteligenți (capabili săperceapă un număr marede proprietăți și să prelucreze informația într-un format digital avansat). Etapele parcurse înevoluția tehnologiei electronice (în special a microelectronicii) au determinat conturarea a 6 generații de senzori sau arhitecturi multisenzoriale.

Teza vizează o problematică importantă a monitorizării mediului și anume realizarea de aparate și sisteme modeme pentru detecția, identificarea, monitorizarea și controlul parametrilor de mediu.

În această teză am abordat o serie de principii teoretice privind mijloacele de monitorizare a parametrilor mediului cu ajutorul sistemelor multisenzoriale care conțin mai mulți senzori pentru efectuarea măsurătorilor efectuate în vederea obținerii de informații suficientă pentru o imagine a calitătii mediului.

Pentru a exemplifica modurile în care se poate imlementa un astfel de sistem, am realizat un sistem de monitorizare a temperaturii și umidității în care am folosit arduino uno, doi senzori care măsoară umiditatea și temperatura, cum ar fi SHT 11 și SHT25 și un display LCD pentru afișarea informațiilor în urmă măsurătorilor făcute de cei doi senzori.

Capitolul 1

SISTEME DE MONITORIZARE A MEDIULUI

. Definiția monitorizării

Monitorizarea semnifică supravegherea evoluției în timp a unui sistem de măsurare, estimare sau semnalare depășirii valorilor limită a unor indicatori sau parametrii definitorii ai sistemului, diagnoza stării prezente și eventual elaborarea unor prognoze.

Monitorizarea mediului constă dintr-o serie de activități privind supravegherea, evaluarea, prognoza, avertizarea și intervenția organelor și organizațiilor interesate în legătură cu evoluția calității mediului, ce au în vedere evaluarea sistematică a dinamicii caracteristicilor calitative ale factorilor de mediu, în scopul cunoașterii stării de calitate și semnificație ecologice a acestora, a evoluției și implicațiilor sociale ale schimbărilor produse, urmate de măsuri care se impun.

Termenul monitorizare este întâlnit de relativ scurt timp în limba română și, însens larg, semnifică supravegherea evoluției în timp a unui sistem prin măsurarea, estimarea sau semnalarea depășirii valorilor limită a unor indicatori sau parametric definitorii ai sistemului, diagnoza stării prezente și eventual elaborarea unor prognoze.

În ultimul timp, regăsim des termenul monitorizare utilizat cu referire la sisteme politice, sociale, biologice, tehnice, informaționale, transporturi și evident protecția mediului.

Legea “Protecției Mediului” din 29 decembrie 1995 specifică înțelesul termenului monitorizarea mediului: “sistem de supraveghere, prognoză, avertizare și intervenție, care are în vedere evaluarea sistematică a dinamicii caracteristicilor calitative ale factorilor de mediu, în scopul cunoașterii stării de calitate și semnificației ecologice a acestora, evoluției și implicațiilor sociale ale schimbărilor produse, urmate de măsuri care se impun”.

În ultimul secol, dezvoltarea deosebită a producției de energie, industria chimică, extractivă, metalurgică, transporturile rutiere și aeriene, arderea sau depozitarea deșeurilor de orice natură, marile combinate de creștere a animalelor, chimizarea agriculturii sunt tot atâtea cauze care fac ca în ultimul timp să devină tot mai acută poluarea mediului înconjurător.

Poluarea are urmări neplăcute, adesea grave, asupra omului și mediului înconjurător, sub diferite forme: infestarea apelor de suprafață și a pănzelor freatice, dispariția unor specii sau chiar a vieții din anumite bazine hidrografice, deteriorarea potențialului agricol a solului, reducerea vizibilității și apariția mirosurilor neplăcute, “încălzirea atmosferei”, murdărirea zonelor urbane, ploile acide din Suedia și Europa Occidentală și cel mai important afectează sănătatea oamenilor (afecțiuni cronice ale aparatului cardio-vascular, respirator, digestiv sau ale pielii). În ultimul timp se insistă mult asupra existenței unor substanțe mutagene puternice printre diferiții poluanți, care, mult timp neobservate, sunt considerate ca o amenințare gravă, de ordin genetic, asupra populației urbane. Dar poluarea mediului înconjurător nu este de dată recentă. Astfel, chiar la începutul secolului XX smogul caracteristic Londrei punea aceleași probleme ca și azi celor care nu puteau să-l suporte iar în anii ’70 Rinul era un râu fără viață (dar în care azi se pescuiește).

Monitorizarea înseamnă – observații sistematice ale dinamicii unui sistem efectuate în vederea extragerii unor concluzii statice destinate reducerii incerrtitudinii legate de modul de funcționare a sistemului respectiv.

Monitorizarea este definită ca o activitate, inițiată pentru a produce informații specifice asupra caracteristicilor funcționării variabilelor de mediu și a celor sociale, în timp și spațiu.

Monitorizarea integrată resprezintă un sistem complet de achiziție a datelor privind calitatea mediului, obținut pe baza unor măsurători sistematice, de lungă durată, la un ansamblu de parametri și indicatori, cu acoperire spațială și temporală care pot să asigure posibilitatea poluării.

Monitorizarea se mai definește ca: “măsurarea unor caracteristici ale mediului pe o perioadă extinsă de timp și spațiu, pentru a determina starea și tendințele lor de evoluție”.

1.2. Monitorizarea-sistem de supraveghere și control a parametrilor mediului

Sistemul de monitorizare a mediului este un sistem integrat care realizează supravegherea continuă a stării mediului și furnizează date privind toate componentele structurale ale mediului. Datele achiziționate sunt prelucrate prin metode statistice, iar informațiile finale astfel obținute sunt utilizate pentru evaluarea impactului asupra mediului, pentru avertizare și alarmare, precum și pentru controlul calității mediului.

Controlul mediului este o acțiune complexă de supraveghere permanentă a stării mediului în vederea asigurării securității ecologice. De aici reiese și scopul de bază al controlului – asigurarea respectării legislației ecologice, a normelor și standardelor în domeniu, a realizării planurilor și programelor de acțiune ale protecției mediului de către toate instituțiile și organizațiile, activitatea cărora are tangență directă sau indirectă cu mediul înconjurător, agenții economici și persoanele fizice.

Pericolul în continuă creștere a influenței negative exercitată de intensificarea producției industriale și a celei agricole asupra sanătății umane și a stării biosferei în ansamblu impune necesitatea elaborarea unui sistem de monitorizare nu numai a unui factor de mediu, considerat separat, ci a biosferei în întregime. La prima consfătuire interguvernamentală privind monitorizarea (Kenia, 1974), convocată de Consiliul director al programului ONU referitor la problemele mediului ambiant (UNEP) au fost expuse scopurile principale ale sistemului global de monitorizare a mediului înconjurător. În timp, obiectivele au devenit mai îndrăznețe iar metodele de abordare sau perfecționat continuu. O atenție deosebită a fost acordată controlului schimbărilor ce au loc în natură în urma poluării acesteia precum și măsurilor de prevenire a pericolului ce amenință sănătatea oamenilor, a calamităților naturale și perturbărilor ecologice. Evident că sistemul global de monitorizare se bazează pe subsistemele naționale de monitorizare, incluzând elemente ale acestor subsisteme. Astfel monitorizarea a devenit un sistem informativ cu multiple destinații speciale, care este în măsură să avertizeze organismele abilitate asupra stării biosferei, gradul de afectare antropogenă a ambianței, despre factorii și sursele unor efecte nefaste. Din punct de vedere funcțional, sistemul de monitorizare cuprinde trei etape (Fig. 1.2. Schema bloc funcțională a unui sistem de monitorizare): supravegherea, evaluarea stării reale și pronosticul unor eventuale modificări.

Fig. 1.2. Scgema bloc funcțională a unui sistem de monitorizare

Evaluarea stării mediului natural reprezintă elementul principal al unui sistem de monitorizare. Etapele evaluării cuprind selectarea indicilor și a caracteristicilor factorilor de mediu (apă, aer, sol) precum și măsurarea lor directă. Complexul parametrilor respectivi trebuie să caracterizeze exact starea mediului natural.

Elaborarea unei prognoze presupune cunoașterea legităților privind modificarea nivelurilor de poluare și starea mediului natural, disponibilitatea unor modele și posibilități de calcul numeric. Pentru a evalua starea mediului și a pronostica eventualele schimbări ce ar putea interveni este indicat a se pune în evidență subsisteme de supraveghere a sistemului abiotic al biosferei (monitorizare biofizică) precum și a celui biotic (monitorizare biologică). Gama observațiilor geofizice este foarte vastă, extinzându-se de la reacții și diverse efecte de proporții microscopice până la reacții globale, de exemplu, schimbări meteorologice și climatice. Efectuarea acestor observații necesită informații privind gradul de poluare, turbiditatea atmosferei, alte caracteristici meteorologice și hidrologice ale ambianței.

O atenție deosebită trebuie acordată transferului de substanțe poluante dintr-un factor de mediu în altul, de la un biotop la altul. Sarcina principală a monitorizării biologice este de a detecta reacția biosferei, ca răspuns la efectul antropogen, exercitată la diferite niveluri ale materiei vii: molecular, celular, de organism, de populație sau de asociație. În acest sens, o importanță deosebită revine observațiilor vizând impactul mediului ambiant asupra omului, reacția populațiilor de care depinde bunăstarea sistemelor ecologice, efectele antropogene, populațiile deosebit de sensibile în ce privește impactul respectiv. În cadrul monitorizării biologice se atribuie un rol esențial observațiilor privind eventualele modificări ale indiciilor ereditare proprii diverselor populații, activitatea vitală a populațiilor foarte susceptibile, servind drept indicatori (de exemplu lichenii).

Sunt luate sub observare atât modificărilr antropogene cât și cele fenomenologice naturale, fapt necesar evaluării componenței antropogene a schimbărilor aflate sub observare. De regulă, impactul antropogen se suprapune peste modificările naturale și o eventuală separare a acestora nu reușește întotdeauna.

În momentul de față, pe glob funcționează o rețea deasă de stații de monitorizare a stării mediului înconjurător. În SUA de exemplu, sunt peste 10000 de stații care efectuează observații asupra stării factorilor de natură acvatică.

1.3. Proiectarea unui sistem de monitorizare

Întrebările care se pun la proiectarea unui sistem de monitorizare sunt:

Ce va fi monitorizat?

Ce parametrii (factori) de mediu sunt măsurați?

Unde se efectuează măsurătorile?

Când și cât de frecvent se fac măsurătorile?

Ce metode se utilizează pentru achiziția datelor?

Pentru proiectarea unui sistem informatic de monitorizare integrată a mediului trebuie luate în considerare câteva caracteristici principale:

Organizarea la scară spațială astfel încât să fie surprinsă eterogenitatea ecosistemelor;

Variabilele de stare ale mediului supuse monitorizării să fie dintre cele mai sensibile;

Indicatorii sintetici de calitate, specifici pentru fiecare ecosistem, trebuie să țină seama de toate componentele de mediu;

Metodele de monitorizare să fie comparabile și integrate la scară națională sau chiar internațională (măsurători, comparații date, erori de predicție, etc.) și să existe un sistem de control al calitățiidatelor.

Sistemul de monitorizare este structurat la nivel local, național și internațional (global) pe parametrii de mediu.

Monitorizarea integrată a mediului inconjurător este esențială în evaluarea evoluției resurselor naturale, iar instrumentele de achiziție, procesare și modelare a parametrilor de mediu sunt folosite pentru a extinde rezultatele monitorizării în timp și spațiu.

1.4. Sistem de monitorizare a parametrilor mediului-structura hard și soft

Componentele sistemului de monitorizare sunt:

Sistemul informativ de supraveghere

Evaluatori ai stării reale

Pronosticul stării

Evaluarea stării pronosticate

Controlul parametrului de mediu și reglarea calității mediului

Realizarea fluxului informațional și evaluarea niveluilui calitativ prin sistemul de monitorizare (Fig. 1.4.) are loc pe măsură ce se desfășoară următoarele activități:

Prelevarea probelor – presupune stabilirea variabilelor care sunt monitorizate,în funcție de obiectivele monitorizării, fixarea punctelor de prelevare a probelor și efectuarea de măsurători. Variabilele supuse monitorizării vor fi analizate off-line (cu o anumită frecvență) sau vor fi măsurate automat, on-line, prin utilizarea sistemelor moderne de achiziție de date.

Analiza probelor – definirea procedurilor pentru efectuarea analizelor și înregistrarea rezultatelor. Datele obținute prin prelevarea probelor și măsurarea automată a unor variabile, trebuie procesate pentru aprecierea globală a calității. În cadrul sistemelor de monitorizare se realizează analiza statistică a datelor, analiza și prezentarea grafică precum și generarea de rapoarte pentru factorii decizionali, astfel încât să se poată dezvolta un management de monitorizare și control pe termen lung.

Fig. 1.4. Structura organizatorică a unui sistem de monitorizare a mediului

Prelucrarea datelor – prin utilizarea unor pachete software. În sistemele modern de monitorizare, datele obținute din probe prelevate sau din măsurători automate (aici intervin sistemele de achiziție de date) sunt introduce în sistemele de calcul numeric. Suportul logic al transmiterii datelor spre rețeaua de calculatoare este asigurat fie prin sisteme clasice (telefonie analogical, radio-comunicații), fie prin sisteme modern (telefonie digitală și GSM, Internet, ISDN, etc.). Prelucrarea datelor este realizată prin utilizarea unor pachete software care poate fi grupate în mai multe categorii:

Software de achiziție, care conține și toolbox-uri de prelucrare a datelor: analiză static, analiză spectrală, generare de rapoarte (exemple: Matlab, LabVIEW, LabWINDOWS, etc.);

Software dedicate pentru analize statice (Mathematica, etc.);

Software pentru baze de date (Oracle, Acces, SQL, etc.);

Software de proiectare asistată (Autodesk);

Sisteme integrate de tip GIS – Geographical Information Systems (GeoMedia Intergraph, ArcGIS/ESRI, etc.);

Întocmirea rapoartelor – stabilirea datelor de referință, a frecvenței determinărilor, etc.. Informațiile obținute și prelucrate prin intermediul sistemelor de monitorizare trebuie convertite în forme de prezentare grafică sau rapoarte astfel încât să poată fi analizate de către factorii decizionali.

1.5. Implementarea unui sistem de monitorizare a mediului

Sistemul de monitorizare este un complex de structuri hardware și software care permit achiziția, transferal prelucrarea și reprezentarea datelor de mediu. Componentele sistemului sunt distribuite geographic într-o arie de interes. În zonele monitorizate sunt plasate stațiile de lucru, care sunt prevăzute cu sisteme de măsură, transmitere și memorare date informaționale privind factorul sau parametrii de mediu monitorizați. Revizia componentelor acestor stații se face conform duratei de bună funcționare a părții măsură.

Stația centrală este inima sistemului de monitorizare. Ea permite configurarea stațiilor particulare de monitorizare și primește date de la acestea. Stația central prelucrează datele primate și face analiza lor.

Fig.1.5.1. Structura hard a unui system de monitorizare

Stațiile de monitorizare sunt aferente locurilor alese pentru monitorizare. O stație de monitorizare primește, prelucrează și transmite conform configurației stației datele către stația central. Structural stația de monitorizare are în componență un număr diferit de module senzori inteligenți pentru diferiți parametri de mediu și un modul stație central. Configurarea fizică a stației se face înainte de a se deplasa în locație, iar configurarea logică se modifică de utilizator conform caracteristicilor stației centrale.

Modulul sensor intelligent este partea de bază a stației de monitorizare. El permite o interconectare pentru senzorul de măsură specific factorului monitorizat, face prelucrarea primară a măsurărilor effectuate și le comunică modului stației central.

Cerințele unui system de monitorizare se referă la o gamă largă de măsurători cantitative pentru parametrii de mediu, independent a rețelei de comunicare, configurarea ușoară a sistemului, reprocesarea locală a datelor, costuri cât mai reduse ale sistemului și operaționale.

Fig. 1.5.2. Sistem de monitoriare

Fig. 1.5.3. Schemă modul stație central

Fig. 1.5.4. Senzor inteligent

Din punct de vedere informatic (Fig. 1.5.5.), un sistem integrat de monitorizare a mediului conține:

Sursele de date;

Server de date, server de aplicații;

Activitatea de generare/distribuire de rapoarte către factorii decizionali.

Fig. 1.5.5.Sistemul informatic integrat de monitorizare a mediului

Sursele de date ale sistemului pot fi grupate în mai multe categorii:

Date directe de la furnizorii de informații (valori ale variabilelor monitorizate introduce sub formă ASCII);

Date de la sistemele de tip GIS, baze de date conectate la baza de date a sistemului de monitorizare;

Date provenite de la sistemele de proiectare asistată (CAD – Computer Aided Design);

Date furnizate de sistemele de achiziție prin intermediul software-ului de aplicație.

Activitatea de administrare a serverelor sistemului poate fi partiționată în administrarea serverului pentru baza de date și în administrarea unui server de aplicații, care asigură printer alte conectivitatea sistemului cu alte rețele (web, LAN).

Rezultatele obținute prin intermediul sistemelor de monitorizare sunt prezentate sub formă de grafică sau sub formă de rapoarte astfel încât să poată fi analizate de către factorii decizionali.

Prezentarea grafică a rezultatelor permite o raportare eficientă a datelor monitorizate prin utilizarea mai multor tipuri de grafice, cum ar fi histogramele, grafice statistice de tip pie-chart, bi-dimensionale sau tri-dimensionale (spațiale), grafice de tip scatter (date împrăștiate) etc..

În sistemele informatice de monitorizare a mediului se utilizează mai multe tipuri de rapoarte, care cuprind diverse informații, de la descrierea zonei de monitorizare, la obiective și la rezultatele măsurătorilor. Dintre tipurile principale pot fi enumerate:

Raportul planului de studio, care definește obiectivele sistemului de monitorizare, strategia de prelevare a probelor, resurseledisponibile;

Raportului protocolului și metodelor descrie detaliat metodele și echipamentele utilizate;

Raportul datelor este utilizat pentru prezentarea datelor brute;

Raportul iterpretativ realizează o sinteză a datelor și permite conturarea acțiunilor viitoare.

Structura rapoartelor trebuie să conțină elemente commune cum ar fi rezumat, obiective și termini de referință, descriere zonă de monitorizată, metode și procedure, rezultate și analiza acestora, semnificația rezultatelor, recomandări și surse de informare.

Modele de organizare a procesului de monitorizare

Primul pas care trebuie făcut este alegerea unui cadru organizational în funcție de natura datelor și aspectele specific ale mediului.

Monitorizarea mediului poate fi organizată pe mai multe nivele într-un system pyramidal. La bază se regăsesc datele primare, iar la vârf sunt situați indicatorii foarte corelați. În Fig. 1.6. este ilustrată o piramidă cu patru straturi diferite în funcție de nivelul de corelare.

Fig. 1.6. Piramida datelor de monitorizare

1.7. Sistem de monitorizare a parametrilor de mediu utilizand tehnologii wireless pentru transmiterea datelor

1.7.1. Introducere in domeniul tehnologiilor de transmisie wireless a datelor

Din cele mai vechi timpuri comunicarea la distanta a fost un factor important in comunitatea umana. Initial comunicarea “fara fir” s-a realizat cu ajutorul fumului sau a buciumului. Mai tarziu telefonia si telegrafia au introdus firele conductoare ca mijloc de transmitere a semnalelor utile. In prezent eterul este folosit ca mediu de propagare a semnalelor de comunicare. In teletransmisii, a fost folosita pentru inceput tehnologia radio, unidirectionala, iar mai tarziu telefonia mobila a introdus pe deplin conceptul de comunicare fara fir.

Cercetarile in domeniul comunicatiilor wireless au fost incepute in 1894 de catre Guglielmo Marconi, iar in 1899 a fost trimis primul mesaj telegrafic peste Marea Manecii care nu necesita fire. Trei ani mai tarziu, Marconi a reusit transmiterea primului mesaj peste Oceanul Atlantic. In anii precedenti lui Marconi alti oameni au incercat transmisii wireless, dar antenele utilizate de acestia erau la fel de lungi daca nu si mai lungi decat distantele la care doreau sa trimita semnalele. In primii ani ai tehnologiei dezvoltate de Marconi destinatia principala a fost domeniul militar, prima utilizare fiind in razboiul burilor (Boer War) in 1899. Un astfel de emitator a fost amplasat si la bordul Titanicului fapt care a micsorat dimensiunea tragediei deoarece a fost dispozitivul care a alertat vasele din zona pentru a salva supravietuitorii .

Pentru realizarea sistemului de monitorizare a parametrilor de mediu se utilizeaza trei tehnologii pentru transmisie „fara fir” a datelor: serviciu de transfer pe pachete de date (GPRS), modemuri wireless XSTREAM si module wireless care functioneaza in baza recentului standard de transmisie ZIGBEE.

1.7.2. Module de comunicare wireless ZIGBEE

Dupa perfectionarea tehnologiilor de comunicare si introducerea unor standarde a inceput optimizarea circuitelor si metodelor pentru a obtine cele mai bune performante avand in vedere vitezele de transfer, consumul de energie, etc. Deoarece domeniul comunicatiilor fara fir este foarte extins au fost enuntate mai multe standarde IEEE.Unele dintre acestea 802.11 (retele de calculatoare fara fir) si 820.15.1 – Bluetooth sunt protocoale pentru dispozitive cu raza mica de actiune care consuma prea multa putere si al caror protocoale de comunicatie sunt prea complexe, deci pretul este mare pentru utilizarea acestor circuite in alte game de dispozitive decat cele pentru care au fost produse. Luandu-se in considerare necesitatea utilizarii comunicatiilor fara fir si in alte game de dispozitive a fost elaborat standardul 812.15.4 (ZigBee) care prevede comunicatii la rate de transfer mai mici, consum redus de putere si complexitate scazuta. Potentialele aplicatii ale acestor circuite sunt senzori, jucarii interactive, control la distanta si automatizari casnice si industriale.

Capacitatea de integrare si adaptabilitate a circuitelor ZigBee permite ca utilizarea acestora sa fie accesibila in orice domeniu. Din punct de vedere al caracteristicilor de consum si al complexitatii scazute astfel de circuite sunt ideale pentru realizarea unor retele mai mici sau mai mari pentru monitorizarea parametrilor unor procese industriale.

1.7.3. Sistem de monitorizare

De cele mai multe ori este necesara monitorizarea simultana din mai multe locuri a parametrilor de aer si apa. Un astfel de sistem este prezentat in figura 8. Rezultatele masuratorilor sunt prelucrate local si transmise wireless catre server. Se folosesc trei metode de transmisie a datelor functie de o serie de considerente. Cele trei tehnologii wireless sunt: comunicatii in banda frecventelor radio (RF) 2.4GHz cu ajutorul modemurilor XStream, comunicatii cu modemuri GPRS folosind liniile GSM si comunicatii wireless respectand standardul 812.15.4 folosind module ZigBee.

In figura de mai jos se evidentiaza trei tipuri de sub-sisteme de masura, fiecare folosind o anumita tehnologie de transmisie:

sub-sistem pentru masurarea parametrilor apei si transmiterea datelor cu module ZigBee;

sub-sistem pentru masurarea parametrilor aerului si transmiterea datelor cu ajutorul modemurilor GPRS;

 sub-sistem pentru masurarea parametrilor de apa si aer utilizand modemuri XStream pentru transmiterea datelor si configurarea instrumentelor de masura.

Pentru partea de programare si configurare a retelei s-au folosit tehnici corespunzatoare fiecarui circuit, iar pentru functionarea sistemului in modul de supraveghere si monitorizare este suficienta rularea unui instrument virtual pe server. Rolul instrumentului virtual este de a centraliza datele, afisare a rezultatelor si introducerea acestora intr-o baza de date. Fiecarui parametru masurat i se atribuie informatii legate de locul exact al masuratorii, conditiile externe, data si ora cand s-a efectuat determinarea.

1.8. Exemplu de echipament complex pentru monitorizarea parametrilor de mediu

Fig. 1.8. Aparat de monitorizare a mediului

Echipament complex pentru monitorizarea parametrilor de mediu, modul presiune, tub Pitot Ф = 6 mm T, fir cald, turbină Ф = 100 mm, sonda de inalta temperatura si umiditate.

Capitolul 2

SENZORI ÎN MONITORIZAREA PARAMETRILOR DE MEDIU

2.1. Considerații generale. Ce este senzorul?

Denumirea de sensor provine din termenul latin al cuvântului simț, având deci semnificația de percepere prin intermediul simțurilor umane.

Senzorii subtituie cele cinci simțuri umane, dar în plus ele pot detecta și fenomene care nu pot fi detectate cu ajutorul simurilor.

Senzorul este elemental sensibil care are rolul de a detecta mărimea de măsurat (măsurandul) x(t) și de a o converti intr-o mărime fizică y(t), de altă natură, sau de aceeași natură, pe baza unor efecte fizice sau chimice.

Senzorii sunt dispozitive care sesizează variația unui parametru din sistem prin emiterea de semnal corespunzător, corelat cu mărimea (intensitatea) parametrului respectiv. Se mai numesc traductoare si cele care au o constructive mai complexă (care include și alte elemente auxiliare). Senzorii au rolul de a transforma anumiți parametri ai sistemului în mărimi de altă natură. Parametrul de transformat formează semnalul de intrare al traductorului, iarcel transformat semnal de ieșire. prin emiterea de semnal corespunzător, corelat cu mărimea (intensitatea) parametrului respectiv.

Ce este senzorul? Trebuie spus că nu există o definiție unitară și necontestată a „senzorului”, motiv care lasă mult spațiu pentru interpretări, ambiguități și confuzii. Mulți autori preferă să folosească sintagma „senzori și traductoare”, în cadrul căreia, fie pun pe picior de egalitate senzorul și traductorul, utilizând, alternativ sau preferențial, unul dintre termeni, fie consideră că unul reprezintă o categorie ierarhică superioară, incluzându-l pe celălalt. De multe ori se mai utilizează și noțiunea de „captor”, care amplifică semnele de întrebare, întrucât în limba franceză, termenul „capteur” este utilizat pentru a desemna elementele tehnice, care în această carte au fost numite „senzor”.

Senzorii utilizați trebuie să aibă caracteristici statice liniare și dinamice stabile, viteză de răspuns, reproductibilitate, robustețe și fiabilitate. Senzorii, active sau pasivi, sunt surse de semnal, care necesită prelucrarea în vederea măsurării sau a substituirii simțurilor umane.

Fig.2.1. Structuri ale sistemelor senzoriale

Clasificarea senzorilor

In ideea controlului calității factorilor de mediu după destinație, distingem trei categorii de senzori:

a) pentru determinarea poluanților care contaminează factorii de mediu;

b) pentru determinarea componenților din care este alcătuit în mod natural factorul de mediu supravegheat;

c) pentru determinarea unor mărimi dependente de factorul natural și climatic.

Contaminarea factorilor de mediu

Se poate realiza cu sau fără intervenția omului provocând modificări fizico-chimice sau biologice ale acestora. Atunci când aceste modificări depășesc un anumit prag și se mențin un timp îndelungat se instalează fenomenul de poluare. După natura agenților care au produs modificarea echilibrului biologic, fizicochimic al ecosistemului se pot defini următoarele tipuri principale de poluare:

chimică;

fizică: – termica

– fonica

– radioactive;

biologică.

Senzori pentru determinarea compușilor care alcătuiesc în mod natural factorul de mediu

Aer: – determinarea gazelor din compoziția atmosferei nepoluate: O2, CO2, etc.

– determinarea umidității;

Apă: – determinarea conductivității (conținutul total de săruri)

– determinarea gradului de turbiditate

– determinarea nivelului, debitului si/sau vitezei apei

Sol: – presiunea vaporilor de apa în sol

– umiditatea

– determinarea compoziției solului nepoluat: carbonați, săruri de calciu, de magneziu etc., precum si existența unor microelemente

Mărimi dependente de factorii naturali sau climatici

Mărimile dependente sunt:

temperatura,

presiunea,

viteza vântului,

umiditatea aerului,

intensitatea luminoasă,

radioactivitatea naturală,

nivelul si debitul apei.

Principalele caracteristici primare ale senzorilor folosite in controlul factorilor de mediu, cu referire in special la calitatea apei, sunt următoarele:

1. Funcția de transfer

2. Sensibilitatea

3. Selectivitatea (specificitatea)

4. Stabilitatea

5. Timpul de răspuns

6. Gradul de participare al senzorului

7. Siguranța în exploatare

8. Economicitate

Erori întâlnite in procesul de măsurare

Erorile sistematice – sunt constante pentru un instrument dat si efectele lor pot fi înlăturate; valorile acestora se determină prin calibrare;

Erorile aleatorii – nu pot fi înlăturate dar pot fi reduse prin măsurări repetate.

Parametri calibrării utilizați pentru definirea preciziei (erorii) sunt următorii:

rezoluția

sensibilitatea

linearitatea

histerezisul

repetabilitatea/precizia /reproductibilitatea

Caracteristici și performanțe generale ale senzorilor

Caracteristicile generale ale senzorilor reflect interdependența dintre mărimile de intrare și de ieșire sub aspect functional. Acestea sunt:

Caracteristici de intrare, care reflect interacțiunea dintre mărimile de intrare și obiectul supus măsurării, ca în cazul impedanței de intrare (electrică, mecanică, acustică);

Caracteristici de transfer, care reprezintă relația dintre o mărime de intrare și o mărime de ieșire, fără a tine cont de celelalte elemente ale sistemului de măsură;

Caracteristici de ieșire, care reflectă interacțiunea mărimilor de ieșire cu elemental cu care este cuplat la ieșire.

Pe lângă aceste caracteristici generale mai există și caracteristici specifice, care nu intervin direct în relația de dependentă, dar condiționează calitățile tehnice și economice ale senzorilor. Din această categorie fac parte: fiabilitatea, consumul de energie electrică, protecția împotriva mărimilor perturbatoare, etc.

Capitolul 3

TIPURI DE SENZORI FOLOSIȚI ÎN MONITORIZAREA PARAMETRILOR DE MEDIU

3.1. Senzori de umiditate

Umiditatea se referă la vaporii de apă conținuți în aer. Măsurătorile pentru umiditate pot fi condiționate de o serie de termeni sau unități. Apa se găsește în natură în trei stări fizice: gazoasă, lichidă și solidă. Posibilitățile de trecere de la o stare de agregare la alta sunt prin evaporare, condensare, suplinmare, înghețare, topire. Cei trei termeni folosiți de obicei sunt: umiditatea absolută, punctul de rouă și umiditatea relativă (RH).

3.1.1. Moduri de definire a umidității aerului

Dacă se consideră un volum V de aer umed, la temperatura T, masa M de aer umed conținută în acest volum este suma dintre masa ma și a aerului umed mv a vaporilor de apă.

Presiunea totală P, sau presiunea barometrică este suma presiunilor parțiale Pa a aerului uscat și Pv a vaporilor de apă.

Raportul de amestec r [kg/kg] este raportul dintre masa mv de vapori de apă și masa ma de aer uscat :

r = [kg/kg] – este o mărime de referință a umidității;

Presiunea vaporilor saturați ps(T) [Pa] reprezintă presiunea vaporilor în stare de echilibru cu apă lichidă la temperatura T;

Umiditatea relativă U [%] reprezintă raportul dintre presiunea vaporilor de apă și presiunea vaporilor saturați la temperatura T:

U = ·100 [%] – este o mărime frecvent utilizată;

Temperatura de rouă Td [ °C ] reprezintă temperatura la care trebuie răcit aerul umed pentru a atinge saturația , raportul de amestec r rămânând constant, astfel că:

Pv = Ps ( Td );

Temperatura umedă Tn [°C] este temperatura de echilibru a unei mase de apă ce se evapora în aer , căldura necesară evaporării fiind preluată numai de aer;

Entalpia specifică i [kJ/kg] reprezintă căldura totală conținută în aerul umed având ca origine entalpia corespunzatoare aerului uscat la 0 °C.

Între mărimile specifice umidității există relațiile:

r = δ , unde δ = , Ma și Mv fiind masele moleculare ale aerului și vaporilor de apă.

Pv = Ps( Tn ) – AP( T-Tn ) unde :

A = , A = 0.00064 pentru Tn = 20°C

3.1.2. Punctul de rouă

Punctul de rouă este exprimat in °C sau °F, este temperatura și presiunea la care gazul incepe să condenseze intr-un lichid.

3.1.3. Umiditatea relativă

Este prescurtată RH, umiditatea relativă se referă la raportul (exprimat in procente) a conținutului în umiditate din aer în comparație cu umiditatea saturată la aceeași temperatură și presiune.

Această discuție a principiilor de operare capacitive, rezistivitate si termo-conductive folosite la măsurarea umidității va scoate în evidență avantajele, dezavantajele și aplicațiile posibile.

Umiditatea relativă – senzorii capacitivi de umiditate relativă (RH) (a se vedea figura) sunt folosiți foarte mult în aplicații industriale, comerciale și telemăsurarea parametrilor meteorologici.

3.1.4. Clasificarea senzorilor de umiditate

În raport cu principiul de funcționare se disting următoarele grupe mari de senzori de umiditate:

senzori ce permit determinarea directă a umidității pe baza principiului fizic ce le stă la bază; este cazul higrometrelor de condensație, cu absorbție și higrometrelor electrolitice.

senzori al căror principiu se bazează pe măsurarea unei proprietăți a unui corp legat de umiditate; este cazul higrometrelor cu variație de impedanță.

3.1.5. Senzor de umiditate cu oscilator de cuarț

Au la bază măsurarea cu precizie a frecvenței unui oscilator cu cuarț. Se știe că frecvența de rezonanță a oscilatorului variază cu grosimea și densitatea cuarțului. Prezența cuarțului în aer umed duce la creșterea densității aparente a acestuia și deci la modificarea frecvenței de rezonanță a oscilatorului.

Pentru ca vaporii de apă ce se fixează pe cuarțul oscilatorului să varieze mult cu umiditatea mediului de măsurat, pe suprafața cuarțului este depusă o membrană fină absorbantă din rășină poliamidă.

Dacă f este frecvența de rezonanță a captorului perfect uscat în ambianță umedă, masa membranei absorbante crește, și densitatea aparentă ρ a captorului variază, astfel încât are loc o variație Δf a frecvenței oscilatorului:

Δf = – ( N / ρ2 t )Δρ = – ( t / ρ )Δρ,

unde N este constanta de frecvență determinate de orientarea fețelor cristalului, iar t este grosimea acestuia. Domeniul de măsură cu acest senzor este 0 – 100 % de la 0 la 50 °C. Precizia de măsurare este ±5%, este fiabil și influențată de impuritățile aerului.

Variațiile frecvenței de rezonanță funcție de umiditatea relativă este prezentată în Fig. 3.1.5..

Fig.3.1.5. Variațiile frecvenței de rezonanță funcție de umiditatea relativă

Sunt utilizate în ultimul timp puțin în domeniul medical ( mai ales la supravegherea ambiantului din incubatoarele nou – născuților prematuri).

3.1.6. Criterii pentru selectarea unui sensor pentru măsurarea umidității

Această discuție a principiilor de operare capacitive, rezistivitate si termo-conductive folosite la măsurarea umidității va scoate în evidență avantajele, dezavantajele și aplicațiile posibile.

Senzori capacitive de umiditate. Umiditatea relativă – senzorii capacitivi de umiditate relative (RH) (a se vedea figura) sunt folosiți foarte mult în aplicații industriale, comerciale și telemăsurarea parametrilor meteorologici.

3.1.7. Higrometru capacitiv cu dielectric polimer

Senzorul ca atare se compune din doi electrozi metalici între care este dispus un film din polimer dielectric de o grosime de câțiva μm, ce absoarbe moleculele de apă din aerul ambient, modificându-și proprietățile dielectrice (Fig.3.1.7.)

electrozi electrod poros substrat

Fig.3.1.7. Higrometru capacitiv cu dielectric polimer

Variația capacității funcție de umiditatea relativă a aerului este liniară în limite destul de largi și puțin dependentă de temperatură.

Aceasta face ca el să fie utilizat mai ales în măsurări de precizie mare, ca de exemplu în controlul mediilor cu umiditate constantă. Se pot obține precizii de 2–3% în mod frecvent, pentru domenii de măsură cuprinse între 0% si 100% la temperaturi de -40°C -100°C.

Are un timp de răspuns mai bun decât cel rezistiv (1-2 secunde) și este mult mai robust, poate fi introdus direct în apă sau chiar substanțe combustibile (gaze de ardere).

Senzori de umiditate semiconductori

Senzorul de umiditate cu semiconductor este cunoscut sub denumirea CFT (Charge Flow Transistor). El se compune dintr-un MOS-FET și o membrană din rășină higrosensibilă. Această membrană este de obicei din PAFA (poli-amido-fenil-acetilenă) și diminuează rezistența electrică în funcție de conținutul de apă. Rezistența ei inițială este în general mare. Schița constructivă este dată în Fig.3.1.8a..

Fig. 3.1.8a. Schiță constructivă

Schița prezintă situația în care tensiunea aplicată între grila G si sursa S este nulă. În această situație rezistența sursă–drenă este foarte mare și circuitul este practic deschis. Dacă se închide întrerupătorul din stânga o tensiune pozitivă se aplică pe grilă și sarcina electrică începe să pătrundă în membrană din rășina higrosensibilă.

Sarcina electrică s-a răspândit în toată membrana trecând prin grilă.

Ca răspuns MOS-FET-ul este în stare de conducție și rezistența sursă–drenă devine extrem de mică.

Potențialul pozitiv al schemei a) fiind aplicat grilei si rezistența sursă-drenă este mică, timpul de revenire în starea deschis a FET-ului depinde de rezistența membranei din rășină higrosensibilă. Această rezistență variază cu umiditatea și se măsoară practic timpul de trecere din starea b) în starea c) de umiditate.

Fig. 3.1.8b. Schiță constructivă

Este ca urmare un convertor umiditate–interval de timp. Dacă se introduce senzorul într-un oscilator se poate converti umiditatea în frecvență. Este de obicei pe aceeași particulă de Si și un senzor de temperatură, miniaturizarea fiind astfel extremă. Cum acest senzor este de dată recentă, aplicațiile lui sunt rare.

Higrometre cu condensație

Principiul de măsura și construcția higrometrului

Dacă se răcește treptat un corp a cărei temperatură poate fi măsurată continuu, până la formarea pe suprafața acesteia a unui depozit de rouă sau gheată , temperatura corespunzătoare punctului de rouă Td , este o măsură a cantității de vapori de apă in aerul umed. În Fig. 3.1.9. este prezentată schema de principiu a unui higrometru automat cu condensație.

Elementele esențiale din componența acestuia sunt oglinda , sistemul de reglare a temperaturii, senzorul de temperatură a oglinzii (termorezistența sau termocuplul), sursa fascicolului luminos, detectorul optic.

Fig.3.1.9a) Schema de principiu a unui higrometru automat cu condensație.

Fig.3.1.9 b) Capul de măsură

Fascicolul de lumină produs de sursă cade pe oglinda metalică astfel încât detectorul să nu fie sensibilizat în absența condensului. Răcirea treptată prin intermediul grupului frigorific a oglinzii până la apariția unui strat de rouă sau gheață , conduce la apariția luminii difuze, care prin intermediul detectorului și regulatorului comandă reîncălzirea oglinzii până la dispariția totală a condensului și deci reînceperea ciclului.

Printr-un reglaj adecvat se poate obține o grosime fixă a condensului și deci o stare de echilibru între vapori și condens. Senzorul de temperatură, plasat în imediata apropiere a oglinzii permite cunoașterea temperaturii Td a acesteia și deci a stării de umezeală a aerului din incintă.

Erorile ce intervin în măsurare sunt legate de existența unui gradient de temperatură între suprafața de separație aer-apă (în raport cu care este definită temperatura de rouă) și senzorul de temperatură plasat în spatele oglinzii , de conducția termică a firelor sondei și autoîncălzirea acestora. Toate acestea sunt însă erori sistematice și deci pot fi luate în calcul la etalonarea higrometrului.

Erori ce nu pot fi neglijabile sunt introduse de diferența de multe ori suficient de mare intre cele două puncte de echilibru posibile ( aer–rouă sau aer–gheață), atunci când punctul de rouă este inferior lui 0°C. Paradoxal, fenomenul este inexistent dacă depozitul de rouă conține impuritități.

Pentru a-l evita se recurge la vibrații impuse și controlate ale oglinzii sau la răcirea acesteia la temperaturi foarte joase pentru a fi siguri că se ajunge la faza solidă și apoi încălzirea până la temperatura de îngheț, ce poate fi verificată si vizual printr-un hublou.

Precizii ce pot ajunge la ±0,2°C necesită eliminarea electronicii aseriate, a impurităților și defectelor de pe suprafața oglinzii.

Sunt in general singurele higrometre cu gama extinsă de măsură (70°C-180°C).

Timpul de răspuns este variabil de la câteva minute la ore în funcție de temperatură.

Sunt recomandate în medii corozive (gaz de construcție). Sunt aparate complexe, scumpe dar precise (de laborator).

Alți senzori de măsurat umiditatea

Senzorul de tip BIO-SEN-RH95

Senzorul pentru masurarea umiditatii aerului de tip BIO-SEN-RH95 masoara umiditatea relativa a aerului in domeniul 20 … 95% RH. Principiul de functionare este de tip capacitiv. Valoarea masurata poate fi configurata la cerere in semnal analogic, TTL, RS232, cu modul radio Tx-Rx.

Domeniu masurare 20 … 95% RH

Acuratete +/_5%

Histerezis +/_2%

Rezolutie masurare 0,1%

Timp raspuns 60s

Semnal iesire 2 … 10v

Pentru precizie mai mare a masurarii producem senzorul BIO-SEN-RH100. Acesta masoara umiditatea relativa a aerului in domeniul 0 … 100% RH. Principiul de functionare este de tip senzor electronic pe cip. Valoarea masurata poate fi configurata la cerere in semnal analogic, TTL, RS232, cu modul radio Tx-Rx.

Domeniu masurare 0 … 100% RH

Acuratete +/_2%

Histerezis +/_1%

Rezolutie masurare 0,1%

Timp raspuns 20s

Semnal iesire 0 … 10v

3.2. Senzori de presiune

3.2.1. Definire presiune

Presiunea atmosferică reprezintă presiunea exercitată de aerul din atmosferă asupra scoarți terestre. Atmosfera, care înconjoară globul pământesc, exercită o presiune anumită asupra suprafeței pământului și asupra tuturor oamenilor, animalelor și obiectelor, care se află pe el. Presiunea se măsoară cu barometrul și valoarea ei poate fi exprimată în mai multe unități de măsură, cel mai adesea în milimetri coloană de mercur (torr), dar și în kiloPascali sau atmosfere. Presiunea atmosferică la nivelul mării este de cca. 760 mm coloană de mercur (101325 Pa). De la valoarea de 760 mmHg provine denumirea de atmosferă fizică.

Raportarea presiunii măsurate la resiunea vidului determină presiunea absolută, iar la presiunea atmosferică determină presiunea relative.

Presiunea atmosferică normală este definite drept presiunea exercitată de o coloană de mercur cu înălțimea de 735,56 [mm].

Dispozitivele de măsurare a presiunii se clasifică după funcționare în barometre, care măsoară presiunea atmosferică a stratului gazos din jurul Pământului și manometre cu senzori electrici, elastici tip membrane sau cu lichide, piezoelectrici sau integrați pe substrat de siliciu.

Higrometre de absorbție

Higrometrele de absorbție au la bază două principii:

Presiunea vaporilor deasupra unei soluții saturate care conține săruri, este inferioară presiunii acestora deasupra apei la aceeași temperatură(fig.2.) sau pentru aceeași presiune a vaporilor Pv(A) vom avea:

Pv(A)=Ps(apaTd)=Ps(LiCl , Tc )

Conductibilitatea electrică a unor săruri cristalizate este mult inferioară celei a unei soluții a aceleiași substanțe. Principiul de funcționare al acestui higrometru constă în încălzirea unei soluții saline saturate până când presiunea vaporilor deasupra acesteia este egală cu cea a vaporilor din mediul ambiant. Trebuie alese soluții saline a căror presiune a vaporilor să fie cea mai mică posibil la o temperatură dată.

Cea mai utilizată este clorura de litiu ce corespunde unui domeniu al umidității relative măsurabile cuprins între 12% și saturație.

Fig. 3.2.2. Variația presiunii vaporilor funcție de temperature

Senzori de temperatură

3.3.1. Generalități

Temperaturile pot fi măsurate în funcție de efectul lor asupra unor proprietăți ale unor entități fizice. Orice obiect care are o proprietate influențabila de temperatura este un potențial termometru. Efectul temperaturii asupra unui obiect poate consta într-o modificare a stării fizico-chimice a acestuia, a dimensiunilor lui, a proprietăților sale electrice, a proprietatilor legate de energia radiată de acesta, etc. Temperatura unui obiect este rezultatul modificrii energiei cinetice a moleculelor sale. Din păcate energiile cinetice nu sunt înca masurabile. Scara temperaturilor termodinamice, bazată pe ciclul Carnot, este independentă de proprietățile materialului, în schimb nu este practică, și conține doar raportul dintre temperaturi. Scara temperaturilor bazata pe legile gazelor ideale este identică cu scara termodinamică, dar utilizarea sa nu este posibilă decat în laboratoare standard.

Temometre cu dilatare

Termometrele cu dilatare au la bază modificările dimensionale cu temperatura ale solidelor, lichidelor și gazelor. În cazul metalelor utilizate în termometrie, alungirea acesora cu temperatura este destul de mică și ca urmare cel mai frecvent sunt utilizate în montaj diferențial sau asociate unor dispozitive specifice ce amplifică schimbarea respectivă.

Termometrul bimetalic

Termometrul bimetalic măsoară temperatura prin intermediul dilatării termice diferite a două metale. Banda bimetalica reprezentata în figura 2.1a, consta într-o alăturare de două metale, legate între ele. De obicei unul dintre metale este un aliaj de cupru, iar celălalt în mod invariabil, un oțel cu nichel cu un coeficient de dilatare termică scăzut. O schimbare a temperaturii va obliga banda bimetalică să se încovoaie, ca în Fig. 3.3.2.1a.

În mod obișnuit se folosesc mai multe tipuri de termometre bimetalice:

Spirala bimetalică cu comutator de mercur la capatul liber, din Fig. 3.3.2.1b foloseste la măsurarea temperaturii la termostatul de apartament.

Helixul bimetalic, prezentat în Fig. 3.3.2.1c, este plasat într-un tub de termometru similar termometrului din sticlă cu mercur. În acest caz, rezultatul măsurării este rotația unui indicator.

Sonda bimetalică din fig. 2.1d poate fi plasată în conducta unui motor cu reactie pentru a masura temperatura medie a gazelor.

Fig. 3.3.2.1 Termometre bimetalice

Precizia termometrelor bimetalice variază de la ± 2% la ± 5%, iar limita superioară de temperatură este de aproximativ 500°F.

3.3.2.2. Termometrul din sticlă cu mercur

Termometrul din sticlă cu mercur este un exemplu de termometru cu rezerva de lichid ce lucrează pe principiul dilatarii. Acesta este alcatuit dintr-un rezervor din sticlă cu peretii subtiri umplut cu mercur, un capilar uniform învelit în sticlă atașat unei gradații și o camera de dilatație deasupra capilarului, pentru protecție. Coeficientul de dilatație volumică al mercurului este de aproximativ 8 ori mai mare decât cel al sticlei. Datorită acestei diferențe, mercurul se ridica în capilar pentru a indica temperatura. Deoarece mercurul îngheață la – 38,9°C, în unele situații specifice se utilizează și alte lichide. Dacă un termometru este conceput pentru contact partial, pe tubul de sticlă se atașează un inel care indică adancimea corectă de imersie a termometrului. Datorită nesiguranței pe care o prezintă mercurul expus la temperaturile din mediul înconjurator cel mai des utilizat este termometrul cu imersie totală.

Când un termometru cu imersie totală este folosit la o imersie parțială, mercurul de la suprafața lichidului nu este la temperatura băii. Corecția de temperatură este:

unde: CS este corecția temperaturii, k este factorul de corecție (pentru termometrele cu mercur, k are valoarea 0,00016 pentru scara Celsius și 0,00009 pentru scara Fahrenheit), n este numarul de grade dintre suprafața băii și capătul coloanei de mercur din capilar, TB este temperatura indicată iar T este temperatura medie a coloanei de mercur cufundat, măsurată cu ajutorul unui alt termometru atasat tubului.

Termometrele din sticlă cu mercur atestate, sunt utilizate pe arie largă ca standarde de lucru. Pentru termometrul cu imersie totală, precizia maximă este de ± 0,01°C de la 0°C la 150°C și ± 1°C de la 300°C la 500°C.

Erorile datorate curgerii vâscoase a sticlei sub presiune sunt de aproximativ 0,2°F, cele datorate efectului încălzirii și răcirii repetate sunt de aproximativ 0,01°F la fiecare 10°F, iar cele datorate presiunii externe sunt de 0,2°F pe atmosferă. Dacă este necesară o precizie egală sau mai mare de ±0,2°F, trebuie verificat punctul gheții urmat de o recalibrare a termometrului.

Termometrul cu volum constant de fluid

Termometrul cu volum constant de gaz este un exemplu de sistem cu rezervor umplut, ce lucrează pe principiul modificării cu temperatura a presiunii la volum constant. Banda bimetalică prezentată în figură este folosită pentru compensarea temperaturii ambientale. Rezervorul termometrului cu gaz tinde să fie mare, iar efectul utilizării unui rezervor mare poate fi avantajos în cazul unor aplicații.

Termometrul cu vapori sub presiune prezintă un schimb mai mare de presiune odată cu cresterea temperaturii decât cel al unui termometru cu gaz. Rezervorul poate fi mai mic, iar funcționarea sa nu este influențată de schimbările dimensionale ale rezervorului.Termometrele cu rezervor sunt folosite mai ales la monitorizarea temperaturii, deși datorită randamentului temperatură – presiune ar putea fi folosit și pentru control pneumatic. Raspunsul lor dinamic este însă încet, iar constanta de timp este cuprinsă între 5 si 10 secunde.

Tendința actuală este folosirea altor tipuri de senzori termometrici, de obicei cu ieșire electrică, ce permit măsurări multipunctuale, transmisia la distanța a semnalelor electrice, multiplexarea, procesarea de date și control computerizat.

Termometrul termoelectric

Termometrul termoelectric sau termocuplul este probabil cel mai performant și mai ieftin senzor de temperatură. Este aplicabil pentru aproape întreaga gamă de temperaturi și este folosit la măsurarea temperaturilor în industrie în proporție de 50%.

Măsurarea temperaturii cu ajutorul termocuplurilor se bazează pe legile fenomenelor termoelectrice. Tensiunea termoelectromotoare (t.t.e.m.), care apare în circuitul celor două materiale omogene care compun termocuplul, este rezultatul acțiunii concomitente a efectului Thomson, Peltier și Seebeck. Drept materialele componente ale termocuplurilor pot fi utilizate metale, aliaje și chiar materiale refractare.

Senzori rezistivi de temperatură

RTD (detectori rezistivi de temperatura) sunt simple elemente rezistive a căror rezistivitate este dependentă de temperatură. Această proprietate comună este folosită la sesizarea temperaturii. Materialele cel mai des folosite pentru RTD sunt platina (-260 la 1000°C), cuprul (-200 la 260°C), nichel, Balco (70% Ni, 30% Fe) (-100 la 230°C) si tungsten (-100 la 2500°C). Temperaturile dintre paranteze reprezintă valori aproximative.

Temperaturile recomandate de producatori pot să difere considerabil, în funcție de construcția senzorului, materialul folosit ca suport și teacă precum și de aplicație. Spre exemplu, un senzor poate fi supus la o temperatură mai ridicată decât temperatura limită a stării stabile, pentru o scurta perioada de timp, fără a se deteriora.

Elementul sensibil poate fi de tip fire răsucite sau mai recent de tip film. RTD cu fire răsucite, ilustrat în Fig. 3.3.4a., este un model mai vechi cu fire netensionate. Spiralele elicoidale din fire de platină sunt sprijinite usor pe o tesatură suport mică în formă de cruce. Ansamblul este încapsulat într-un tub de sticlă pentru protecție. Un astfel de RTD este fragil, iar cuplajul între elementul sensibil și punctul de masura este slab.

Elementul sensibil parțial sprijinit, prezentat în Fig. 3.3.4b, este mai potrivit în aplicații industriale. El constă în spirale mici din fire ce traversează orificiile axiale ale suportului izolant rigidizate cu un adeziv prin tratament termic.

O porțiune a fiecărei spire a spiralei este astfel lipită de suport iar restul fiecarei spire este liber. Un element total sprijinit și mult mai ieftin este prezentat în Fig. 3.3.4c. Firul sensibil este legat de un suport izolant și apoi îmbracat intr-o izolatie.

Un element total sprijinit este mai puternic și poate face față socurilor de 100g. Trebuie proiectat cu atenție, pentru a minimiza modificarea rezistentei legata de intinderea firelor.

Fig.3.3.4. Construcția RTD

O joncțiune RTD constă într-un element sensibil încapsulat într-o teacă protectoare, asa ca în Fig. 3.3.4d. RTD cu fire răsucite are o constantă de timp care variază de la 0,5 la 10s, în funcție de rata transferului de căldura. RTD cu pelicula metalică sunt realizate prin asezarea unui film metalic pe un substrat și apoi încapsularea acestuia. Detectorul cu peliculă metalică are de obicei dimensiuni mult mai mici decat cel cu fire răsucite și are o constantă de timp mai scurta.

Termistori

Termistorul este un simplu element rezistiv semiconductor. Termistorii sunt folosiți atât pentru măsurarea temperaturii, cât mai ales în sistemele de control. În această sectiune mă voi limita la o scurtă comparație între termocuplu, RTD și termistor, ca senzori de temperatură.. Caracteristicile de temperatură pentru aceste trei tipuri de termometre sunt comparate calitativ în Fig. 3.3.5..

Termocuplul are cea mai largă gamă de temperaturi dar cea mai scazută sensibilitate. RTD-ul și termistorul nu necesita joncțiuni de referință. RTD-ul are limite de temperatură mai reduse dar are o sensibilitate mai mare decât a termocuplului. Avantajele RTD-ului sunt stabilitatea pe termen lung și înalta precizie.

Termistorul are cea mai restransă gama de temperaturi, de regulă între -100°C si 150°C, dar sensibilitatea sa este de 100 de ori mai mare decat cea a RTD. Rezistivitatea metalelor creste odata cu temperatura, de aceea, RTD au coeficienți de temperatură pozitivi. Termistorii au atăt coeficienți de temperatură pozitivi cât și negativi. Pentru masurarea temperaturii, sunt folositi aproape în totalitatea cazurilor termistorii cu coeficenți de temperatură negativi.

Termistorii pot avea dimensiuni foarte reduse și sunt disponibili în formă de bilă, de vergea, de plachete etc.. Constanta sa de timp este comparabilă cu cea a termocuplului, dar cu mult mai mică decat cea a RTD. Datorită limitelor sale restrânse de temperatură, termistorul este mai putin avantajos decat RTD în ceea ce privește stabilitatea, repetabilitatea și interșanjabilitatea, dar este de departe superior în ceea ce priveste timpul de raspuns și sensibilitatea.

Fig. 3.3.5. Caracteristicile senzorilor de temperatură

Alte modele de senzori de monitorizare a parametrilor de mediu

Senzor electronic pentru măsurare viteză în aer

Senzorul pentru masurarea vitezei aerului este de tip electronic fara a avea piese in miscare. Este extrem de sensibil fata de sistemele clasice cu elice, putind sesiza viteza aerului incepind cu 0,01m/s. Domeniul de aplicatii include HVAC, silozuri leguminoase, hale crestere pasari si porci, etc. Semnalul de iesire poate fi configurat la cerere, analogic, TTL, RS232, RS485.

Domeniu masurare                     0 … 3 m/s

Eroare masurare                      +/-10% CS

Rezolutie masurare 0,01%

Semnal analogic iesire 0-1v, 0-5v, 0-10v

Senzor măsurare oxigen in aer

Senzorul pentru masurarea concentratiei de oxigen prezent in componenta aerului respirabil, este de tip celula galvanica. Este caracterizat printr-o mare precizie de masurare si un timp scurt de detectie. Zona de aplicatii este extrem de larga, HVAC, aplicatii medicale, zone unde se foloseste azot lichd, ferme de pasari, etc.  Valoarea masurata poate fi configurata la cerere in semnal analogic, TTL, RS232 sau cu modul radio Tx-Rx.

Domeniu masurare                     0 … 100% o2

Acuratete                                    +/_1% CS

Liniaritate                                   +/_0,21%

Rezolutie masurare                       0,1%

Timp raspuns                                14s

Semnal iesire                                 0 … 10v

Capitolul 4

SISTEME MULTISENZORIALE PENTRU MONITORIZAREA PARAMETRILOR DE MEDIU

4.1. Sistemul multisenzorial

Starea unui proces sau aprecierea unui obiect sau fenomen este, în general, dependent de mai mulți parametric și determinarea acestei stări (din punct de vedere calitativ și cantitativ) presupune determinarea fiecărui parametru în parte, în coordonate spațio-temporale. Măsurătorile efectuate în vederea obținerii de informații pot avea un caracter local sau uncaracter global. De cele mai multe ori, informația primită de la un singur senzor este insuficientă pentru a obține o imagine a stării sistemului studiat. De aceea, pentru ocaracterizare cantitativă și calitativă cât mai completă, în spațiu și timp, a unui obiect, processau fenomen, este nevoie de mai mulți senzori.

Un sistem format din mai mulți senzori de același tip sau diferiți și care operează împreună în vederea furnizării de informații coerente cu privire la anumiți parametri necesari determinării stării unui obiect, proces sau fenomen, poartă denumirea de sistem multisenzorial.

Într-o situație simplă, un singur senzor (care detectează un anumit parametru) este suficient pentru a realiza o descriere locală, la un moment dat sau la intervale de timp determinate, a unui obiect, proces sau fenomen. Dacă se studiază un fenomen complex, caracterizat de mai mulți parametri, starea lui nu poate fi descrisă decât cu ajutorul unui vector de stare; în asemenea situații se impune utilizarea unui sistem multisenzorial, care să furnizeze componentele vectorului de stare.

4.2. Crasificarea sistemelor multisenzoriale

După natura senzorilor conținuți, un sistem multisenzorial poate fi format din senzoride același tip (folosiți pentru câmpuri de mărimi de aceeași natură) sau din senzori diferiți (înscopul de a obține informații despre un obiect sau process caracterizat de mai multe mărimidiferite).

Din punct de vedere al structurii tehnologice, un sistem multisenzorial utilizează pentru măsurare:

structură cu senzori discreți, atunci când componentele detectoare, ca și cele detransmitere și prelucrare, sunt elemente discrete;

structură cu senzori integrați, atunci când ansamblul elementelor utilizate pentru măsurarea mai multor parametri este realizat sub formăintegrată;

structură mixtă, când ansamblul elementelor de mă surare conține component atât discrete cât și integrate.

4.3. Arhitecturi de sisteme multisenzoriale

Dacă trebuie determinate una sau mai multe mărimi cu componente spațiale, se folosește un sistem multisenzorial constituit din senzori de Acela și tip sau diferiți, dispuși spațial în mod corespunzător; fiecare senzor realizează o determinare punctuală, specifică locului sau punctului vizat (sau în care a fost amplasat dispozitivul de măsurare). Sistemul multisenzorial realizează o determinare globală a mărimii/mărimilor măsurate, rezultând o hartă care caracterizează procesul la un moment dat. Repetând secvențele de măsurare (harta) la intervale de timp precizate sau în mod continuu, se obține evoluția în timp a procesului (un film). Dacă procesul este caracterizat de mărimi de natură diferită, se impune utilizarea unui sistem multisenzorial mai complex, format din senzori de diferite tipuri.

În ultimii ani, au avut loc o serie de progrese ale științei și ingineriei materialelor, în special a oxizilor metalici, a mixturilor anorganice, a substanțelor ceramice, a polimerilor conductivi, a catalizatorilor și, mai ales, a tehnologiilor siliciului și circuitelor integrate. Cercetările în aceste direcții, dezvoltarea unor tehnologii de fabricație mai puțin costisitoare pentru dispozitive pe bază de siliciu și materiale menționate mai sus, au condus la apariția senzorilor individuali sau multipli (arii de senzori), într-o formă simplificată spațial în sensul miniaturizării. Acest lucru a fost posibil folosind descoperirile din domeniul senzorilor semiconductori și prin integrarea acestor dispozitive, sub formă de arii de senzori, împreună cu circuitele de condiționare a semnalelor de ieșire, rezultând astfel senzorii integrați. În prezent, se urmărește obținerea unor sisteme multisenzoriale, cu funcții și performanțe cel puțin similare cu cele asigurate de senzorii discreți, dar care extind considerabil sfera aplicațiilor, datorită miniaturizării, capacității lor de a funcționa on-line și raportuluicost/performanță foarte avantajos (justificat de fabricarea senzorilor integrați pe baza tehnologiei siliciului).

Există două tipuri de arhitecturi de sisteme multisenzoriale folosite într-un sistem de măsurare și control care supervizează starea unui proces:

arhitecturi cu senzori discreți

arhitecturi cu senzori integrați.

4.3.1. Arhitecturi cu senzori discreți

Dacă la un moment dat sunt necesare mai multe informații cu privire la starea unui obiect sau proces cu o distribuție spațială, pentru preluarea acestor informații este necesară utilizarea concomitentă a mai multor senzori discreți, dispuși corespunzător, în diferite punctede măsurare și pe o arie spațială destul de largă. Aceste dispozitive formează o arhitectură multisenzorială discretă, care poate fi constituită din:

senzori de același tip, care măsoară mărimi fizice de aceeași natură, determinând componentele unui vector de stare coloană;

senzori diferiți ca tip, care măsoară mărimi fizice de natură diferită și determină componentele unui vector de stare linie;

senzori de același tip și senzori de diferite tipuri, formând o structură senzorială mixtă (arie sau matrice de senzori).

Modelul matematic care descrie starea unui proces explorat de o arie de senzori este o matrice de stare. Pentru preluarea informației de la aria de senzori se folosesc undemultiplexor (DEMUX) și un multiplexor (MUX), controlate de un bloc de comandă digital (BC), ca în Fig. 4.3.1. Demultiplexorul selectează tipul de senzori (vectorul coloană), iar multiplexorul alege senzorul care trebuie citit din coloana respectivă. Informația senzorială astfel obținută este transmisă blocului de condiționare și adaptare și, apoi, convertoruluianalog-numeric care o furnizează unității centrale de prelucrare și decizie.

Fig. 4.3.1. Structura senzorială mixtă

În Fig. 4.3.1., () este mulțimea senzorilor de tipul 1, () este mulțimea senzorilor de tipul 2, ) mulțimea senzorilor de tipul j, ș.a.m.d.

4.3.2. Arhitecturi cu senzori integrați (sisteme multisenzoriale integrate)

Urmărirea concomitentă a evoluției mai multor parametri, într-un anumit punct sauîntr-o zonă restrânsă din spațiu, a devenit o necesitate în ultima vreme, datorită diversității și complexității problemelor de măsurare apărute. Pentru aceasta, sunt necesari mai mulțisenzori (de același tip sau de tip diferit), care se află în același modul (realizat în formă monolitică sau hibridă) și formează un sistem multisenzorial integrat.

În prezent, se fac încă cercetări în domeniul microsenzorilor solid-state. Evoluția microelectronicii a condus la o nouă arhitectură de sistem de măsurare și control, în formă integrate (monolitică), numită microsistem. O astfel de arhitectură concentrează, într-o singură structură monolitică, întreg sistemul multisenzorial și uneori, interfața de comunicație cu acesta. Matricea de senzori este mai densă și poate cuprinde mult mai mulți senzori decât încazul arhitecturii cu senzori discreți.

Sistemele multisenzoriale integrate devin tot mai necesare în multe aplicații din domeniul roboților sau monitorizării parametrilor de mediului, din medicină, aviație, etc.

4.4. Realizări și tendințe în domeniul sistemelor multisenzoriale

4.4.1. Generații de senzori și sisteme multisenzoriale

De-a lungul timpului, senzorii au evoluat de la un simplu element sensibil (capabil să detecteze o singură mărime pe care să o transmită într-o formă analogical primară), până la sisteme multisenzoriale integrate sau senzori inteligenți (capabili săperceapă un număr marede proprietăți și să prelucreze informația într-un format digital avansat). Etapele parcurse înevoluția tehnologiei electronice (în special a microelectronicii) au determinat conturarea a 6 generații de senzori sau arhitecturi multisenzoriale.

4.4.2. Microsisteme senzoriale integrate

4.4.2.1. Microsisteme unisenzor

Crearea de senzori prin procedee tehnologice proprii circuitelor electronice integrate acondus la apariția microsistemelor unisenzor. Cipul conține un microsenzor și un circuit decondiționare (Fig. 4.4.2.1.).

Fig. 4.4.2.1.Microsistem unisenzorial

Principalele avantaje ale acestor microsisteme sunt dimensiunile și costul reduseapreciabil, îmbunătățirea calității semnalului de ieșire (se asigură rejecția factorilor  perturbatori și cresc sensibilitatea, liniaritatea dependenței intrare-ieșire și precizia măsur ării), posibilitatea standardizării formatului semnalului de ieșire analogic sau numeric (pentru aasigura interfațarea cu circuitele de prelucrare).Circuitul de condiționare poate realiza numai adaptarea ca nivel și tip a semnalului de ieșire (curent, tensiune, frecvență), poate conține și convertoare analog-numerice sau chiar circuite de prelucrare și corecție primară pentru semnalele analogice.

4.4.2.2. Microsisteme multisenzor

Tehnologia circuitelor integrate din siliciu permite controlarea cu mare precizie a procesele pe care le comportă, existând astfel posibilitatea de a obține un înalt grad de reproductibilitate a caracteristicilor senzorilor care constituie o matrice.

Fig. 4.4.2.2. Microsistem multisenzorial

Microsistemul multisenzor conține, pe același cip, matricea senzorială (SMS), unmultiplexor (MUX), circuitul de condiționare (CC) și un circuit de adaptare (CA).

Microsistemele multisenzor pot fi împărțite în două categorii:

cu matrice (arii) de senzori de același tip, destinate măsurării distribuției bi-(tri)dimensionale a unei singure mărimi (de exemplu o matrice tactilă cu fotodiode);

cu integrarea pe același cip a mai multor senzori destinați unor mărimi diferite(presiune, temperatură, debit, pH, concentrații de diferite gaze).

Integrând pe același cip matricea senzorială și circuitele electronice de condiționare, multiplexare și adaptare, numărul de conexiuni se reduce considerabil. Dezvoltareamicrosistemelor multisenzor oferă posibilitatea obținerii de informații complexe și a efectuării unor corecții (dificil sau imposibil de operat prin alte mijloace) atunci când sunt utilizate înzone înguste sau greu abordabile (de exemplu în medicină), la un raport cost/mărime măsurată net avantajos.

4.4.2.3. Microsisteme multisenzor cu microelemente de execuție

În prezent, eforturile de cercetare și de perfecționare a microtehnologiilor suntîndreptate spre obținerea unor cipuri care să conțină pe lângă senzori, circuite pentru citirea acestora, circuite de condiționare, și microelemente de execuție (microactuators) µEE, împreunăcu dispozitivele de comandă aferente (Fig. 4.4.2.3.). O astfel de structură este unsistem automat în buclă închisă, denumirea de microsystem fiind pe deplin justificată.

În tehnologie integrată, microelementele de execuție nu se pot obține prin simpla reducere dimensională a unor elemente de execuție convenționale (motoare, valve, pompe, etc.), utilizate la scara macro. Integrarea în microsisteme a microelementelor de execuție ridică

probleme tehnologice serioase întrucât microtehnologiile planare nu sunt, adeseori, satisfăcătoare și trebuie completate cu tehnologii de asamblare a unor micromodule bidimensionale sau este necesară adaptarea și perfecționarea microprelucrărilor tridimensionale (de volum).

Fig. 4.4.2.3. Microsistem multisenzorial cu microelement de execuție

4.4.2.4. Microsisteme inteligente multisenzor

Asigurarea unei interconectări comode a microsistemelor senzoriale cu echipamentelede calcul constituie un deziderat esențial prin implicațiile majore asupra performanțelor sistemului în ansamblu, sub multiple aspecte: capacitate de procesare și control, precizie și fiabilitate.

Primele variante de microsisteme, care integrează numai senzorii și circuitele decondiționare a semnalelor, sunt conectate la circuite de interfațare, care asigură funcțiile de eșantionare și multiplexare, conversie analog-numerică și comunicație cu sistemul de calcul; acestuia din urmă îi revin toate celelalte funcții de control, stocareși procesare primară adatelor, efectuarea de corecții, verificări și etalonări urmate de prelucrări (în concordanță cu algoritmi adecvați cerințelor de interpretare sintetică a informațiilor). Inteligența sistemuluieste concentrate la nivelul superior, la care se află sistemul de calcul și control; la acesta din urmă sunt conectate microsistemele senzoriale (prin intermediul interfețelor).

Fig. 4.4.2.4. Microsistem intelligent multisenzor

Microsistemul inteligent multisenzor are, în plus față de microsistemele multisenzor  prezentate \ anterior, capacitate proprie de procesare și interpretare (asigurată demicrocontroler, RAM și PROM – incluse în unitatea central UC din Fig. 4.4.2.4.) și este prevăzut cu interfețe evoluate de comunicație (RS-232, RS-485 sau 422, notate cu IC în aceeași figură). Microsistemele inteligente pot fi interconectate prin intermediul uneimagistrale de comunicație. Blocurile electronice reprezentate schematic în Fig. 4.4.2.4. sunt integrate toate în microsistemul inteligent.

4.5. Domenii de aplicație ale sistemelor multisenzoriale

Sistemele multisenzoriale și-au găsit foarte repede o largă utilizare. Dezvoltarea tehnico-științifică din ultimii ani a creat premiza apariției unor sisteme de control și supraveghere complexe și a unor roboți evoluați, dotați cu sisteme multisenzoriale (capabile să preia informațiile necesare pentru conducerea și supravegherea unei instalații, a unui flux tehnologic și, în general, a unui proces).Dacă până de curând erau folosiți frecvent senzorii discreți, acum aceștia sunt utilizați din ce în ce mai puțin, locul lor fiind luat de cei integrați, care au avantajul simplificării și miniaturizării sistemului de măsurare și control. Sistemele multisenzoriale sunt întâlnite într-o mare diversitate de aplicații; cele maiimportante dintre acestea sunt menționate în continuare.

Sisteme multisenzoriale de temperatură, folosite pentru întocmirea hărților termice, în medicină, pentru inspecție și diagnoză;

Sisteme multisenzoriale vizuale, întâlnite în vederea artificială, pentru analiza scenelor sau recunoașterea formelor, la roboți staționari sau mobili, pentru întocmirea hărților;

Sisteme multisenzoriale tactile, utilizate pentru recunoașterea formelor, determinarea temperaturii, durității sau texturii unor corpuri;

Sisteme multisenzoriale acustice, întâlnite în percepția auditivă (comenzi vocale), pentru determinarea poziției sau vitezei de deplasare a unor corpuri, pentru investigații medicale, detectarea unor obiecte fixe sau în mișcare;

Sisteme multisenzoriale olfactive, necesare pentru analiza gazelor toxice, a substanțelor combustibile sau a substanțelor aromatice.

Capitolul 5

PARTE EXPERIMENTALĂ

Arduino uno

Descriere

Arduino este o platformă de procesare open-source, bazată pe software și hardware flexibil și simplu de folosit. Constă intr-o platformă de mici dimensiuni (6.8 cm / 5.3 cm – in cea mai des intalnita variantă) construită in jurul unui procesor de semnal și este capabilă de a prelua date din mediul inconjurător printr-o serie de senzori și de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul luminilor, motoarelor, servomotoare, și alte tipuri de dispozitive mecanice. Procesorul este capabil să ruleze cod scris intr-un limbaj de programare care este foarte similar cu limbajul C++.

Placa Arduino UNO se conectează la portul USB al calculatorului folosind un cablu de tip USB A-B. Poate fi alimentată extern (din priză) folosind un alimentator extern. Alimentarea externă este necesară in situația in care consumatorii conectați la placă necesită un current mai mare de catevă sute de miliamperi. In caz contrar, placa se poate alimenta direct din PC, prin cablul USB. 

Cateva exemple de senzori disponibili – senzori de distantă (capabili să măsoare de la cațiva centimetri până la 7-9 metri), senzori de sunet, senzori de câmp electromagnetic, senzori de fum, senzori de tip GPS, senzori de tip giroscopic, senzori de flux lichid (ca cei folositi la pompele de benzină), senzori de temperatură, senzori de monoxid de carbon, senzori de lumină, senzori capabili să detecteze doar o anumita culoare, senzori de prezență, senzori de umiditate, senzori de nivel pentru lichid, senzori capabili să măsoare concentrația de alcool in aerul expirat. Pentru a efectua acțiuni asupra mediului inconjurător, există o largă varietate de motoare, servomotoare, motoare pas cu pas, led-uri, actuatoare.  Ca și conectivitate, există disponibile componente capabile să conecteze Arduino la rețeaua Ethernet (“Ethernet Shield”), componente pentru retea wireless, componente capabile să realizeze conectare pe reteaua de date GSM / 3G, sau componente de tip XBEE utile pentru a realiza comunicații de tip personalizat.

Platforma Arduino este disponibilă intr-o serie de variante, fiecare cu diferite capabilități și dimensiuni.

Fig. 5.1.1a. Arduino uno

Plăcile de dezvoltare Arduino seamănă foarte mult între ele. Din elementele comune am putea enumera: intrările/ieșirile digitale, intrările analogice, microcontrolerul etc..

intrare analogică: este folosită pentru citirea semnalelor nondigitale. Ex.: senzori de temperatură, senzori de lumină, senzori de presiune, senzori de umiditate etc.;

intrare/ieșire digitală: imaginațivă un intrerupator de la un bec. Acesta poate să aibă 2 stări: inchis sau deschis adica 0 sau 1;

pwm (Pulse-width modulation): modulația în durată a impulsurilor. Poate fi utilizat pentru a indeplinii o varietate foarte mare de sarcini, de la iluminarea LED pana la controlul vitezei motoarelor electrice.

Fig. 5.1.1b. Descrierea

Specificații

Microcontroler:                                ATmega328

Tensiune de lucru:                           5V

Tensiune de intrare (recomandat):    7-12V

Tensiune de intrare (limita):             6-20V

Pini digitali:                                    14 (6 PWM output)

Pini analogici:                                  6

Intensitate de ieșire:                        40 mA

Intensitate de ieșire pe 3.3V:            50 mA

Flash Memory:                                   32 KB (ATmega328)  0.5 KB pentru bootloader

SRAM:                                           2 KB (ATmega328)

EEPROM:                                      1 KB (ATmega328)

Clock Speed:                                   16 MHz

Plăcuță de dezvoltare arduino(breadboard)

Fig. 5.1.3. Breadboard arduino

Senzor de umiditate și temperatură SHT 11

Descriere

Acest senzor oferă posibilitatea de a măsura temperatura și umiditatea mediului ambiant cu precizie ridicată. Dispozitivul utilizează circuitul integrat SHT11 care oferă doi senzori deja calibrați, în aceeași capsulă fizică. Conectarea la Arduino necesită doi pini digitali și 2 pini de alimentare.

Fig. 5.2.1. Senzorul de umiditate și temperature SHT 11

Conectarea la Arduino

Conectarea Arduino se face conectand pinul de GND al senzorului la pinul de GND al Arduino, pinul de VCC la pinul 5V al Arduino, iar pinii de SCK si DATA ai senzorului la doi pini digitali ai Arduino.

Fig. 5.2.2. Conectarea

Specificații tehnice

Producător SENSIRION

Tip sensor temperatură și umiditate

Domeniu de măsură 0…100% RH

Tensiune alimentare 2.4…5.5V DC

Carcasa SMD4

Serie SHT

Interfață I2C

Acuratețe măsurare temperature 0,4°C

Acuratețe măsurare umiditate ±3%

Interval măsurare temperature -40…125°C

Articole conexe SENSIRION-SF1

Dimensiuni

Schemă-diagramă

Senzorul de umiditate și temperatură SHT 25

Descriere

Acest senzor oferă posibilitatea de a măsura temperatura și umiditatea mediului ambiant cu precizie ridicată. Cu noul cip CMOSens, senzorul de umiditate de tip capacitiv reprelucrat și senzorul de temperatură cu bandă interzisă îmbunătățit prezintă proprietăți excelente. Are proprietăți foarte similare și în unele privințe, chiar mai bune decât senzorii SHT1x și SHT7x. De asemenea, acesta face parte din categoria senzorilor CMOS de înaltă calitate, care conține toate elementele lanțului de măsurare pe un singur cip: senzorul de umiditate și de temperatură, sursă precisă, amplificator liniar de zgomot redus, convertor AD și interfață. În pofida dimensiunilor foarte compacte, senzorul SHT 25 păstrează rezoluția de 12 biți pentru umiditatea relativă și de 14 biți pentru temperatură. Interfața I2C face posibilă o comunicare foarte simplă cu un microcontroler gazdă, în regim Hold/ No Hold Master. SHT 25 are o mai mare precizie și este potrivit chiar și pentru aplicații foarte exigente. De asemenea, SHT25 își păstrează precizia remarcabilă a măsurării temperaturii relative și la valori foarte diferite ale temperaturii.

Fig. 5.3.1. Senzorul de umiditate și temperatură SHT 25

Specificații tehnice

Producător SENSIRION

Tip sensor temperatură și umiditate

Domeniu de măsură 0…100% RH

Tensiune alimentare 2.1…3.6V DC

Carcasa DFN6

Serie SHT

Interfață I2C

Acuratețe măsurare temperature 0,2°C

Acuratețe măsurare umiditate ±1.8%

Interval măsurare temperature -40…125°C

Articole conexe SENSIRION-SF2

Dimensiuni

Schemă-diagramă

Display LCD

Descriere

CONCLUZII

Problema monitorizării parametrilor caracteristici mediului reprezintă una din preocupările științifice actuale cele mai importante la nivel mondial. Ea presupune împletirea a două domenii vaste: ecologia și metrologia. Cu alte cuvinte, proiectarea, realizarea și utilizarea unui sistem de monitorizare a parametrilor de mediu necesită cunoașterea unor aspecte generale legate de natura, sursele și efectele substanțelor urmărite.

Obiectivele principale ale monitorizării parametrilor de mediu sunt: reducerea poluării la nivelul aerului, apei și solului, protejarea omului prin evitarea intoxicărilor, accidentelor cauzate de prezența sau depășirea concentrațiilor admisibile a unor componente în mediul înconjurător, economia de energie și materii prime (reciclarea unor materiale), eficientizarea unor procese industriale.

În urma realizării acestei lucrări de diplomomă, pe lângă principiile teoretice legate de monitorizarea parametrilor de mediu cu ajutorul sistemelor multisenzoriale, am realzat și importanța fundamentală a acestora în eforturile de reducere a deteriorării climatului, pe glob. Practic aceste sisteme ajută la o monitorizare continuă a parametrilor critici ce oferă o imagine clară asupra evoluției parametrilor climatici, temperatură globală, umiditate, presiune.

BIBLIOGRAFIE

Lucian Ciobanu, Senzori și traductoare, Editura MATRIX ROM, București, 2006

Viorel Nica, Laurențiu Dimitriu, Liliana Vornicu, Daniela Narcisa Nica, Senzori și Traductoare Electronice, Editura ”Gh. Asachi”, Iași, 2001

Sisteme de monitorizare a calității mediului, http://tehnopress.ro/ webfiles/books_documents/pdf_extras/34_interior_monitorizarea.pdf

Igor Cretescu, Senzori și traductoare în monitorizarea mediului, http://iota.ee.tuiasi. ro/~emse/Senzori%20si%20traductoare%20in%20monitorizarea%20mediului.pdf

Sisteme de monitorizare a calității mediului, https://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0CCQQFjAB&url=http%3A%2F%2Ftehnopress.ro%2Fwebfiles%2Fbooks_documents%2Fpdf_extras%2F34_interior_monitorizarea.pdf&ei=sT2EVaHxIaTLyAPwjYCIDw&usg=AFQjCNG8OWMM4TwUtWtUFAkIuKt3WwP_Aw

Mircea Dobriceanu, Gheorghe Eugen Subțirelu, Dan Selișteanu, Robert Fundeanu, Monitorizarea factorilor de mediu – tehnici și sisteme, Editura UNIVERSITARIA Craiova, 2009

Cătălin Damian, http://www.tehnicainstalatiilor.ro/articole/nr_76/nr76_art.asp?artnr =09

http://www.arc.ro/echipament-complex-pentru-monitorizarea-parametrilor-de-mediu-ami-300-pro

http://www.robofun.ro/senzor-temperatura-umiditate-sht11

http://www.mob-ius.esp2000.ro/articol/7917

Datasheet SHT 1X, http://www.tme.eu/ro/details/sht11/senzori-de-umiditate/sensirion/

Datasheet SHT 25, http://www.tme.eu/ro/details/sht25/senzori-de-umiditate/sensirion/

Gabriela-Cristina Simion, Monitorizarea și controlul factorilor de mediu, Editura MATRIX ROM, București, 2012

Tudor Andrei Rusu, Sisteme informaționale privind monitorizarea și gestunea factorilor de mediu, Editura U.T.PRESS, Cluj-Napoca, 2010

Arduino, http://www.tehnorama.ro/arduino/

Specificații pentru arduino uno, http://www.robofun.ro/arduino_uno_v3

Datasheet RX1602A4-BIW-TS, http://www.tme.eu/ro/Document/f8a6db174dc460c 387fd7561b2a 766cc/RX1602A4BIW-TS.pdf