Inteligentne Systemy Pomiarowe i Sterujące (1) Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Inteligentne Systemy Pomiarowe i Sterujące (1) Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

zygmunt.kubiak@put.poznan.pl zygmunt.kubiak@cs.put.poznan.pl pok. 424Y, bud. WE lab. 424, bud. WE tel.: 0 61 665 2073 2

Współczesne rozwiązania telemetryczne Zapotrzebowanie na systemy pomiarowe i sterujące Rozwój elektroniki i informatyki wymuszający spadek kosztów złożonych układów i oprogramowania spowodował, że systemy pomiarowe i sterujące, spotykamy powszechnie już nie tylko w przemyśle ale również coraz częściej w życiu codziennym (np. samochody, sprzęt domowy). 3

Współczesne rozwiązania telemetryczne Zapotrzebowanie na układy pozyskiwania informacji Sterowanie i monitorowanie procesów wymaga wiarygodnych źródeł odpowiednio przetworzonej informacji Najczęściej pomiary dotyczą wielkości fizycznych ale wzrasta również zainteresowanie pomiarami parametrów chemicznych i biologicznych Akceptowalną wielkością wejściową dla systemu jest z reguły wartość cyfrowa w odpowiednim standardzie 4

Współczesne rozwiązania telemetryczne Przetwornik 5

- Przetworniki ciśnienia Fizyczne podstawy pomiarów ciśnienia ciśnienie absolutne (bezwzględne) ciśnienie wyznaczone względem próżni absolutnej, ciśnienie atmosferyczne (ciśnienie barometryczne) ciśnienie wywierane przez warstwę powietrza; zależy od położenia danego miejsca nad poziomem morza i innych czynników, ciśnienie normalne ciśnienie absolutne równe 1 atmosferze fizycznej, tzn. odpowiada ciśnieniu jakie wywiera 760mm słupa rtęci się w temperaturze 0 C w miejscu, gdzie przyspieszenie ziemskie wynosi 980,665 cm/s2 (1013,2 hpa), 6

- Przetworniki ciśnienia Fizyczne podstawy pomiarów ciśnienia ciśnienie różnicowe różnica między danym ciśnieniem a ciśnieniem odniesienia, ciśnienie względne różnica między ciśnieniem absolutnym oraz ciśnieniem atmosferycznym (nadciśnienie gdy różnica jest dodatnia, podciśnienie gdy ujemna), ciśnienie hydrostatyczne ciśnienie wywierane przez słup cieczy mierzony względem powierzchni. 7

- Przetworniki ciśnienia Mimo wprowadzenia układu SI (w Polsce od 1966 r.) nadal stosowanych jest wiele różnych jednostek ciśnienia (tab. 1). Przykładowo, parametry czujników ciśnienia firmy Honeywell podawane są w jednostkach psi i bar 8

- Przetworniki ciśnienia 9

- Przetworniki ciśnienia Przetwornik ciśnienia bezwzględnego, osadzony na podłożu krzemowym 10

- Przetworniki ciśnienia Przetwornik ciśnienia różnicowego, osadzony na podłożu krzemowym 11

- Przetworniki ciśnienia Przetwornik ciśnienia różnicowego, osadzony na podłożu szklanym 12

- Przetworniki ciśnienia Przykładowe wymiary czujnika 2mm x 2mm Podstawowym elementem czujnika jest membrana wykonana przez chemiczne, głębokie wytrawianie krzemu Grubość membrany określa zakres pomiarowy czujnika. Zależność ta nie jest liniowa. Typowe grubości membran wynoszą 5 do 200μm Umożliwiają pomiar ciśnień od setek Pa do kilkudziesięciu Mpa Na górnej powierzchni membrany metodą domieszkowania wytworzone są cztery piezorezystory, które tworzą mostek Wheatstona 13

- Przetworniki ciśnienia Układ piezorezystorów 14

- Przetworniki ciśnienia Przetwornik ciśnienia różnicowego Sygnały elektryczne uzyskiwane na wyjściach czujników nie nadają się do bezpośredniego wykorzystania w systemach sterowania. Zazwyczaj są to źródła napięciowe o wartości do dziesiątek miliwoltów i niewielkiej wydajności prądowej. Wymaga to zastosowania dodatkowego układu elektronicznego, który konwertuje sygnał wyjściowy z czujnika na sygnał z zakresu jednego z ogólnie przyjętych standardów 15

- Przetworniki ciśnienia Pomiar ciśnienia atmosferycznego 18

- Przetworniki ciśnienia Pomiar ciśnienia atmosferycznego 19

- Przetworniki ciśnienia Pomiar poziomu cieczy Dla jednorodnej cieczy znajdującej się w równowadze ciśnienie hydrostatyczne ph, tzn. ciśnienie na głębokości h mierzonej względem powierzchni, określone jest następującym związkiem: ph = p pa = h γ gdzie γ = ρ g ciężar właściwy cieczy, ρ - gęstość jednorodnej cieczy, g - przyspieszenie ziemskie, p - ciśnienie bezwzględne na głębokości h, pa - ciśnienie bezwzględne na powierzchni cieczy (w zbiornikach otwartych ciśnienie atmosferyczne). Ponieważ ciecze są w swojej istocie nieściśliwe, zatem gęstość w powyższym związku, przy zmianach ciśnień i, odniesiona do ustalonej temperatury pozostaje praktycznie stała. 20

- Przetworniki ciśnienia Pomiar poziomu cieczy metoda bąbelkowa Przetwornik ciśnienia z czujnikiem różnicowym Manometr 4..20 ma MAX Ciśnienie atmosferyczne POZIOM Rotametr MIN Regulator stałego przepływu Przepływ powietrza 21

- Przetworniki ciśnienia Pomiar poziomu cieczy w zbiorniku otwartym z bezpośrednio zanurzonym przetwornikiem ciśnienia różnicowego pa kapilara p pa h= d, ρ g h PCR gdzie d 0. MIN d 22

- Przetworniki ciśnienia Pomiar poziomu cieczy w zbiorniku zamkniętym z bezpośrednio zanurzonym przetwornikiem ciśnienia różnicowego pa MAX kapilara h PCR p pa h= d, ρ g gdzie d 0. MIN d 23

- Przetworniki ciśnienia Pomiar poziomu cieczy w zbiorniku otwartym z przetwornikiem ciśnienia różnicowego umieszczonym na zewnątrz MAX h= h gdzie MIN PCR p pa d, ρ g d 0. d pa 24

- Przetworniki ciśnienia Pomiar poziomu cieczy w zbiorniku zamkniętym z przetwornikiem ciśnienia różnicowego umieszczonym na zewnątrz MAX p pa h= + d, ρ g h PCR MIN -d gdzie d 0. 25

- Przetworniki magnetorezystancyjne Dwie grupy sensorów magnetorezystancyjnych (MRS): AMR (ang. Anisotropic Magnetoresistance) AMR jest planarnym układem warstwy ferromagnetycznej z wymuszonym w procesie produkcji wstępnym ustawieniem wektora magnetyzacji GMR (ang. Giant Magnetoresistance) W przypadku GMR mamy do czynienia ze stosem podwójnych super cienkich układów warstw ferromagnetyk/diamagnetyk, a wektory magnetyzacji warstw ferromagnetycznych są wstępnie ustawione (bez zewnętrznego pola magnetycznego) na skutek sprzężenia i kształtu tych warstw. 26

- Przetworniki magnetorezystancyjne AMR (ang. Anisotropic Magnetoresistance), Sensor magnetorezystancyjny typu AMR jest elementem wykonanym z odpowiednio ukształtowanej, cienkiej warstwy ferromagnetycznej (TFF - ang. Thin Ferromagnetic Film). Warstwa, najczęściej stopu NiFe (ok. 80% Ni), o grubości z przedziału 10-300 nm, tworzy strukturę jednodomenową. W takiej warstwie, wektor magnetyzacji leży w jej płaszczyźnie. Cechą TFF jest jednoosiowa anizotropia magnetyczna. 27

- Przetworniki magnetorezystancyjne AMR (ang. Anisotropic Magnetoresistance), Sensor magnetorezystancyjny typu AMR jest elementem wykonanym z odpowiednio ukształtowanej, cienkiej warstwy ferromagnetycznej (TFF - ang. Thin Ferromagnetic Film). Warstwa, najczęściej stopu NiFe (ok. 80% Ni), o grubości z przedziału 10-300 nm, tworzy strukturę jednodomenową. W takiej warstwie, wektor magnetyzacji leży w jej płaszczyźnie. Cechą TFF jest jednoosiowa anizotropia magnetyczna. 28

- Przetworniki magnetorezystancyjne AMR (ang. Anisotropic Magnetoresistance), 29

- Przetworniki magnetorezystancyjne AMR (ang. Anisotropic Magnetoresistance), Charakterystyka rotacyjna 30

- Przetworniki magnetorezystancyjne AMR (ang. Anisotropic Magnetoresistance), 31

- Przetworniki magnetorezystancyjne GMR (ang. Giant Magnetoresistance) Sensory GMR budowane są jako pojedynczy układ dwóch warstw ferromagnetycznych rozdzielonych warstwą niemagnetyczną (ang. Sandwich ) oraz jako układy wielowarstwowe (ang. Multilayer). Rezystancja układu warstw Co/Cu/Co zależy od kąta między wektorami magnetyzacji warstw Co. Największa rezystancja występuje przy ustawieniu antyrównoległym wektorów, a najmniejsza przy równoległym. 32

- Przetworniki magnetorezystancyjne GMR (ang. Giant Magnetoresistance) Dwa rezystory GMR są ekranowane przed zewnętrznym polem magnetycznym - kompensują wpływ zmian temperatury. Układ zawiera dodatkowo koncentratory strumienia w postaci pasków permallojowych, a w szczelinie między nimi umieszczone są dwa pozostałe rezystory GMR. 33

- Przetworniki magnetorezystancyjne Zastosowania 34

- Przetworniki temperatury Schemat blokowy przetwornika temperatury DS1631 firmy Dallas/Maxim 42

- Przetworniki temperatury Schemat wyjaśniający zasadę pomiaru temperatury w układzie DS1631 43

- Przetworniki temperatury Działanie przetwornika temperatury DS1631 Pomiar polega na zliczaniu okresów zegara z oscylatora o małym współczynniku temperaturowym, przez czas zależny od oscylatora o dużym współczynniku temperaturowym. W liczniku wstępnie ustawiana jest wartość oznaczająca podstawę liczenia, która odpowiada -55 C. Jeśli licznik osiągnie zero, przed okresem bramkowania (sygnał STOP), zawartość rejestru temperatury, która jest także ustawiona wstępnie na -55 C, jest zwiększana o 1 (inkrementowana) wskazując, że temperatura jest wyższa od -55 C. 44

- Przetworniki temperatury Działanie przetwornika temperatury DS1631 Następnie do licznika wpisywana jest zawartość z akumulatora nachylenia. Licznik ponownie zlicza aż do osiągnięcia zera. Jeśli okres bramkowania nadal nie upłynął, wtedy ten proces się powtarza. Akumulator nachylenia jest używany do linearyzacji parabolicznych charakterystyk oscylatorów w funkcji temperatury, dla uzyskania wysokiej dokładności pomiaru. Wymaga to zmiany liczby koniecznych zliczeń licznika dla każdej inkrementacji rejestru temperatury. Dla dostępnej liczby bitów wyniku przetwarzania 9, 10, 11 lub 12, rozdzielczości wynoszą odpowiednio 0,5 C, 0,25 C, 0,125 C, oraz 0,0625 C. 45

- Przetworniki bezwładnościowe Sensory bezwładnościowe służą do wykrywania i pomiaru zmiany położenia lub przyspieszenia obiektu. Zasada działania jest prosta sensor zawiera elastycznie zawieszony element masy. Zmiana położenia czujnika lub jego ruch przyspieszony, działąjące w odpowiednim kierunku względem elementu masy, powoduje zmianę jego wychylenia względem podstawy czujnika. Efekt ten jest następnie mierzony i przetwarzany. Obecnie tego typu sensory wytwarzane są korzystając z najnowszych osiągnięć nanotechnologii, przy zastosowaniu między innymi metod głębokiego trawienia krzemu. Obok układów jednoosiowych produkowane są przetworniki dwu- i trzyosiowe. 46

- Przetworniki bezwładnościowe Elementy bezwładnościowe sensora; a) zasada działania, b) i c) przykłady wytrawionych w krzemie elementów w przypadku c) elementy wykonane z kryształu o grubości 20 µm 47

- Przetworniki bezwładnościowe Przykłady struktur akcelerometrów dwuosiowych sensory widoczne w środku układów; a) układ MXA2500U firmy MEMSIC, b) układ ADXL282 firmy Analog Devices 48

- Przetworniki MEMS W opracowaniu przedstawiono wybrane, wytwarzane na skalę masową nowe rozwiązania przetworników. Jedną z dziedzin intensywnie rozwijających się w ostatnich latach w ramach nanotechnologii są systemy mikro-elektromechaniczne (MEMS ang. Micro Electro Mechanical System oraz imems ang. integrated Micro Elektro Mechanical System). W ramach MEMS, głównie na bazie krzemu, powstają nie tylko nowoczesne rozwiązania sensorów, ale również mikroukłady wykonawcze (mikroaktywatory). 49

- Komunikacja Systemy analogowe Napięciowe Prądowe Częstotliwościowe Systemy cyfrowe Przewodowe Optyczne Bezprzewodowe 50

- Komunikacja Systemy analogowe prądowe 4.. 20 ma 51

- Komunikacja Systemy analogowe prądowe 4.. 20 ma 52

- Komunikacja Systemy cyfrowe przewodowe Sieci przemysłowe Sieci firmowe Np. Mitsubishi - MiniNet Sieci miejscowe (Fieldbus) HART (ang. Highway Addressable Remote Transducer) Asi (ang. Actuator Sensor Interface) CAN (ang. Controller Area Network) Profibus DP Modbus I inne 53

- Komunikacja Sieci miejscowe 54

- Komunikacja Sieci miejscowe - model 55

- Komunikacja Sieci miejscowe - Modbus 56