Consideratii Generale Asupra Utilizarii Sistemelor De Achizitii In Procesul De Vulcanizare A Benzilor De Cauciuc

Capitolul I Consideraţii generale asupra utilizării sistemelor de achiziţii în procesul de vulcanizare a benzilor de cauciuc Industria extractivă de suprafaţă din bazinul minier din Oltenia implică necesitatea transportului lignitului din carierele de suprafaţă în buncărele de cărbune.Echipamentele care asigură acest transport utilizează benzi transportoare din cauciuc. Fabricarea benzilor transportoare presupune două etape importante: confecţia şi vulcanizarea. În etapa de confecţie se realizează depunerea cauciucului pe un suport textil sau metalic. În faza de vulcanizare se realizează trecerea cauciucului din stare preponderent elastică în stare preponderent plastică având rolul de a îmbunătăţi rezistenţa mecanică, duritatea şi modulul de elasticitate precum şi rezistenţa la oboseală şi abraziune. Operaţia de vulcanizare presupune menţinerea benzii transportoare la o temperatură ridicată 150-200 °C şi la o presiune ridicată 100-180 barr, un anumit timp, condiţii ce sunt asigurate de presa de vulcanizat. Presa de vulcanizat benzi transportoare realizează o vulcanizare discontinuă a benzilor din cauciuc în sensul că o bandă de lungime mare, 200-300 metri, este vulcanizată pe porţiuni egale de câte 10 metri. În figura 1.1 este reprezentată în ansamblu o presă de vulcanizat benzi transportoare din cauciuc.

Fig. 1.1 Procesul de vulcanizare abenzilor transportoare este un pruces complex care impune rezolvarea a o serie de probleme specifice procesului tehnologic. În condiţiile evoluţiei tehnologice actuale sistemele de achiziţia datelor şi controlul proceselor industriale au devenit mai flexibile şi mai uşor de integrat în instalaţiile industriale complexe. A avut loc trecerea de la sistemele analogice la cele numerice avantajate de schimbările spectaculoase din domeniul 1

tehnologiilor numerice de prelucrare a datelor bazate pe utilizarea calculatoarelor, a microprocesoarelor şi a microcontrolerelor. În cadrul acestui proiect se prezintă căteva aspecte referitoare la sistemele de achiziţia datelor şi controlul proceselor industriale si modul de utilizare a acestor sisteme în industrie şi anume în automatizarea procesului de vulcanizare a benzilor transportoare din cauciuc. O primă cerinţă a fost realizarea unui sistem care să permită controlul parametrilor de vulcanizare (temperatură, timp, presiune) în aşa fel încât fiecare porţiune de bandă transportoare vulcanizată să aibă aceleaşi proprietăţi fizico-mecanice sau altfel spus procesul de vulcanizare să fie repetabil. Acest lucru este foarte important pentru obţinerea de benzi transportoare cu parametrii de calitate îmbunătăţiţi. Pe de altă parte sistemul de achiziţie de date trebuie să asigure achiziţia unor parametrii de proces, sa-i redea grafic atunci când este nevoie şi sa-i memoreze într-o bază de date pentru analize ulterioare. Acest fapt duce la posibilitatea analizării cauzelor de uzură prematură a benzilor transportoare în exploatare, cauze ce ar putea fi generate de procesul de fabricaţie. Deoarece sistemul de achiziţie de date este destinat lucrului într-un mediu cu perturbaţii electromagnetice foarte puternice generate de motoare electrice, linii electrice de alimentare trifazate precum şi un mediu cu praf, vibraţii şi temperaturi ridicate au fost necesare măsuri de reducere a acestor influenţe asupra bunei funcţionări a sistemului. Un aspect important pentru realizarea practică a sistemului de achiziţie l-a reprezentat raportul preţ/calitate, factorii de natură financiară fiind foarte importanţi în realizarea sistemului.

2

Capitolul II Sisteme de achiziţie a datelor şi controlul proceselor industriale Un sistem de achiziţie şi conducere (SAC) are structura simplificată prezentată în figura 2.1 şi conţine următoarele blocuri funcţionale:

Magistrala locală

Magistrala sistem

Microcomputer

Interfaţa cu magistrala

Sistem de achiziţie de date analogice (SADA) Sistem de generare de date analogice (SGDA) Sistem de intrări şi ieşiri numerice (SIIN)

Fig. 2.1 - sistem de achiziţie de date analogice (SADA) care este destinat citirii datelor în formă analogică, date ce pot proveni de la traductoare şi adaptoare de măsură; - sistem de generare de date analogice (SGDA) care este principalul mijloc de obţinere a unor comenzi în formă analogică; semnalele astfel obţinute pot fi aplicate elementelor de execuţie sau pot fi afişate pe monitoare analogice; - sistem de intrări şi ieşiri numerice (SIIN) utilizat la conectarea cu echipamente numerice sau la interfaţarea cu elemente de execuţie comandate electric; - microcomputerul care realizează atât procesarea locală a datelor cât şi comunicarea cu alte sisteme. Prin microcomputer se înţelege o arhitectură de calcul mono sau multiprocesor, echipată cu microprocesoare sau microcontrolere. Un rol important în buna funcţionare a sistemelor de achiziţie şi conducere îl au senzorii şi traductoarele, componente ce preiau mărimile neelectrice din procesele industriale şi le transformă în mărimi electrice ce pot fi uşor prelucrate de sistemele de achiziţie de date. În figura 2.2. este prezentat un sistem de achiziţie şi conducere în care apare ca element de bază calculatorul, element de neânlocuit în sistemele de achiziţie şi conducere moderne. Sistemele de conducere cu calculatorul a proceselor industriale realizează schimbul de informaţii între calculator, operatorul uman şi mediul industrial. 3

În această schemă bloc traductoarele au rolul de a preleva mărimile de măsurat şi a le transforma în semnale electrice, circuitele de condiţionare de semnal realizând procesarea analogică a semnalelor (amplificare, atenuare, filtrare, etc...). Semnalele analogice sunt preluate de circuite de intrare analogice care le transformă în semnale numerice cu ajutorul circuitelor de conversie analog-numerice iar semnalele digitale sunt preluate de circuitele de intrare digitale. În final, calculatorul primeşte mărimile prelevate din proces sub forma unor semnale numerice pe care le prelucrează făcând analiza lor şi elaborând decizii. Pe baza acestor decizii, calculatorul transmite către proces atât semnale digitale prin intermediul circuitelor de ieşire digitale cât şi semnale analogice furnizate de circuitele de ieşire analogice în urma conversiei numericanalogice. Aceste semnale se aplică elementelor de execuţie (motoare, electrovalve, bobine, etc..) după o prealabilă prelucrare în circuitele de adaptare care realizează de fapt tot o condiţionare de semnal.Se poate afirma că în cazul monitorizării şi conducerii unor procese industriale calculatorul trebuie să aibă un dialog permanent cu traductoarele şi elementele de execuţie. Aceste traductoare şi elemente de execuţie sunt foarte diverse şi sunt caracterizate de semnale a căror frecvenţă este mult mai mică decât frecvenţa microprocesorului din calculator, nivelul lor având o plajă largă de variaţie. De aici rezultă necesitatea unei adaptări a acestor semnale, a unei interfaţări dintre periferice (traductoare şi elemente de execuţie) şi calculator. Această funcţie este asigurată de către un adaptor de interfaţă sau mai simplu interfaţă care converteşte semnalele de la echipamentul periferic şi pe cele destinate echipamentului periferic în semnale normalizate care pot fi transmise spre şi de la procesor pe canalele de intrare-ieşire. Intrări

Elemente de execuţie

Proces

Traductoare

Circuite de adaptare

Ieşiri

Condiţionare de semnal

Circuite de intrare analogice

Circuite de ieşire analogice Calculator

Circuite de intrare digitale

Circuite de ieşire digitale Operator uman Fig. 2.2

Sisteme de conducere numerice industriale implică în general un număr mare de traductoare şi de elemente de execuţie, analogice şi numerice. Elementele sensibile (senzorii) ale traductoarelor transformă mărimile măsurate în tensiune, curent, rezistenţă etc., ale căror valori diferă mult de la un dispozitiv la altul. Tensiunile pot fi de la milivolţi la zeci de volţi. De asemenea, semnalele necesare elementelor de execuţie pot avea nivele de putere mult diferite în funcţie de aplicaţia concretă. Sistemele de conducere 4

industriale trebuie să dispună de echipamente care să convertească semnalele de la senzori în semnale numerice standardizate care pot fi prelucrate de către calculator. În plus, trebuie să existe circuite care să convertească datele numerice furnizate de către calculator în semnale de comandă (analogice în cele mai multe cazuri) adaptate la elementele de execuţie. Aceste diferite funcţii sunt grupate în aşa-numitele unităţi de interfaţă de proces. Unitatea de interfaţă trebuie să fie modulară pentru a permite adaptarea uşoară a sistemului de conducere la caracteristicile particulare ale procesului condus. Modularitatea este asigurată prin plăci sau module conectate la o magistrală comună şi concepute astfel încât utilizatorul poate echipa unitatea de interfaţă cu ansamblul de plăci şi module specializate care corespund perfect aplicaţiei respective. În general, interfeţele de proces se mai numesc generic plăci de achiziţie, nume datorat faptului că prin intermediul interfeţei de proces se realizează şi achiziţia de date. Trebuie precizat faptul că interfaţa de proces are nu numai funcţia de achiziţie ci şi funcţia de prelucrare şi transmitere către exterior a semnalelor generate de calculator. Plăcile de achiziţie fac parte din categoria generală a plăcilor de extensie (denumite şi plăci utilizator). Prin completarea configuraţiei unui calculator (de regulă un calculator personal – PC) cu elemente din categoria interfeţelor de proces (plăci de achiziţie) şi cu software specializat se obţine un sistem de achiziţie a datelor, sistem ce poate avea şi funcţia conducere (SAC), prezentat sugestiv în figura 2.3 Fenomen fizic

Traductoare şi elemente de execuţie

Cicuite de condiţionare

Placa de achiziţie

Calculator şi software specializat

Fig. 2.3 Sistemele de achiziţii de date incep cu traductoarele, aparate care convertesc mărimi fizice măsurabile cum ar fi temperatura, presiunea, forţa, acceleraţia, vibraţiile, sunetele, umiditatea, debitul, nivelul, umiditatea, pH-ul, compoziţia chimică şi altele, intr-un semnal electric. Orice instalaţie de automatizare industrială dispune de traductoare destinate cerinţelor sale specifice. Pe lângă faptul că traductoarele sunt disponibile pentru o paletă largă de măsurători, se prezintă sub o gamă variată de forme, mărimi şi caracteristici. Alegerea traductorului potrivit pentru o anumită aplicaţie trebuie să ţină seamă de mai mulţi factori: - caracteristicile electrice (amplitudine, frecvenţă, impedanţa sursei) ale etajului de ieşire al traductorului; - tipul sursei de alimentare/excitaţie utilizată de traductor; - precizia necesară; - în ce fel de mediu poate lucra traductorul (temperatură, umiditate, vibraţii, presiune); 5

- preţul de cost. Dintre traductoarele cele mai întâlnite în instalaţiile industriale, pot fi menţionate aici cele pentru măsurarea temperaturii şi anume termocuplele, termorezistenţele şi senzorii integraţi pentru măsurarea temperaturii. Fiecare dintre acestea prezintă probleme specifice prezentate pe larg în cuprinsul lucrării. Termocuplele măsoară simplu şi eficient temperatura generând o tensiune funcţie de temperatură.Funcţionarea lor este bazată pe faptul că la joncţiunea a două metale diferite apare o tensiune electrică dependentă de temperatura joncţiunii, fenomen ce poartă denumirea de efect Seeback. Toate materialele conductoare din punct de vedere electric sunt caracterizate de acest efect dar în practică sunt folosite numai câteva care prezintă o tensiune termoelectrică predictibilă cu temperatura şi un raport convenabil tensiune-temperatură. În cazul lor, problemele deosebite sunt legate de compensarea joncţiunii reci, liniarizarea caracteristicii şi reducerea zgomotului şi a efectelor buclelor de masă prin izolare galvanică. Termorezistenţa funcţionează pe principiul fizic că rezistenţa metalelor creşte cu temperatura. Platina este materialul cel mai utilizat pentru realizarea termorezistenşelor. Termorezistenţa este mai fragilă decât termocuplul, necesitând protecţie în timpul utilizării dar şi sursă de de curent pentru excitaţie pentru a putea realiza măsurarea temperaturii. De cele mai multe ori semnalul produs de senzori este un semnal de tensiune. Sistemele de achiziţii de date sunt capabile, de regulă să prelucreze tensiuni joase. Prin tensiuni joase se înţeleg nivele de tensiune de la câţiva milivolţi la câţiva volţi. Acest nivel de tensiune nu este cel potrivit pentru etajul următor, convertorul analog numeric, şi prin urmare trebuie fie amplificat fie divizat în fucţie de nivelul avut. Această operaţie este indeplinită de circuitele de condiţionare de semnal. Pe lângă nivelul semnalului este foarte importantă frecvenţa sa maximă. Frecvenţa maximă a semnalului analizat stabileşte frecvenţa maximă de eşantionare a convertorului analog numeric conform legii eşantionării. Pe de altă parte este foarte important ca semnalele de frecvenţă mai mare decât cea stabilită, prezente sub formă de zgomot, să fie eliminate prin filtrare. Prezentarea grafică a semnalelor de frecvenţă ridicată necesită o rată de eşantionare mult mai mare decât cea precizată de legea de eşantionare, şi anume 10÷20 puncte de eşantionare întro perioadă, pentru a obţine o formă de undă de o calitate acceptabilă. Circuitele de condiţionare convertesc semnalele provenite de la traductoare, astfel încât convertorul analog digital să le poată prelucra. Condiţionarea semnalelor poate include: amplificare, filtrare,conversie curent-tensiune, izolare, eşantionare şi memorare, conversie tensiune-frecvenţă şi aşa mai departe.De asemenea poate include excitaţia traductoarelor care necesită acest lucru.Figura 2.4 prezintă o schemă simplă de achiziţie de date cu conditionare de semnal.Traductorul este conectat la intrarea circuitului de condiţionare de semnal care furnizează semnal convertorului analog-digital Acesta converteşte tensiunea analogică într-un semnal digital care este transferat la calculator pentru procesare, reprezentare grafică sau memorare. Traductor

Condiţionare de semnal Convertor analog-digital

Calculator 6

Fig. 2.4

Amplificatoarele, datorită diversităţii şi flexibilităţii lor, sunt circuite foarte utilizate în sistemele de achiziţia datelor, ca circuite de condiţionare de semnal. Figura 2.5. ilustrează un sistem simplu pentru achiziţia datelor care constă dintr-un multiplexor (MUX), un amplificator de instrumentaţie (AI) şi un convertor analog-digital (ADC). Fiecare bloc în parte are propriile capabilităţi şi limitări care împreună definesc perfrmanţele sistemului. Multiplexorul este un sistem de achiziţie de date automat, realizat fie în formă electromecanică cu contacte de releu fie cu comutatoare statice. Forma de realizare depinde de viteza de comutare între canale şi de cerinţele de izolare. În sistemele de viteză mare, definite ca fiind acele sisteme ce comută mai mult de 200 de ori pe secundă, sunt utilizate comutatoarele statice. Sistemele foarte performante pot comuta şi de 1000000 de ori pe secundă. Problemele care apar pentru sistemele de multiplexare realizate cu comutatoare statice sunt limitarea tensiunii de intrare, rezistenţa de comutare în stare on şi influenţele între linii.

MU X

AI

ADC Date digitale Fig. 2.5. Blocul care de regulă urmează sistemului de multiplexare într-un sistem de achiziţie de date este un bloc de amplificare realizat în configuraţie de amplificator de instrumentaţie care are câteva caracteristici importante cum ar fi rejecţia semnalului de mod comun, amplificarea semnalului util, minimizarea efectelor rezistenţei în stare on a circuitelor sistemului de multiplexare şi adaptarea semnalului la intrarea convertorului analog numeric. În mod frecvent semnalul util este mult mai mic (0÷100 mV) decât domeniul de intrare tipic (0÷5 V) al convertorului analog numeric. Pentru a realiza o rezoluţie maximă a măsurătorii este necesară amplificarea de 50 a semnalului. Amplificatoarele de instrumentaţie pot realiza amplificări de până la 10000 în anumite aplicaţii. În sistemele cu multiplexare se utilizează o gamă de amplificare între 1 şi 1000. Există o clasă specială de amplificatoare de instrumentaţie, cu domeniu de amplificare programabil, care pot amplifica diferit semnalele de pe canale de intrare diferite. Acelaşi semnal de control care selectează canalul de intrare poate de asemenea selecta şi domeniul de amplificare dând un mare grad de flexibilitate sistemului. Rezistenţa comutatoarelor analogice adunată la impedanţa sursei de semnal poate determina erori de măsurare. Acest efect este minimizat de impedanţa de intrare extrem de mare a amplificatorului de instrumentaţie. Impedanţa de intrare extrem de mare împreună cu curentul de polarizare extrem de mic al amplificatorului de instrumentaţie creează o cădere de tensiune 7

minimă pe comutatorul analogic rezultând un semnal foarte putin afectat de erori la intrarea amplificatorului de instrumentaţie. Pe de altă parte impedanţa foarte mică de la ieşirea amplificatoarelor de instrumentaţie permite o adaptare foarte bună a acestora la intrarea convertorului analog-numeric. Amplificatoarele de instrumentaţie au şi câteva limitări cum ar fi tensiunea de offset, banda de frecvenţă limitată, timpul de stabilizare, etc... care în funcţie de aplicaţie pot fi compensate prin diferite metode. Convertorul analog-digital face legătura dintre semnalul analogic şi semnalul digital. Conversia semnalului analogic presupune exixtenţa unui circuit de eşantionare şi memorare la intrarea convertorului, circuit care de cele mai multe ori este inclus în convertorul analognumeric. Principalii parametrii care caracterizează circuitele de conversie analog-numerice sunt frecvenţa şi rezoluţia. Frecvenţele tipice de lucru variază de la 20kHz la 1MHz iar rezoluţia de la 10 la 16 bit. Cele mai întâlnite tipuri de convertoare sunt cele de tip paralel (flash), cu aproximaţii succesive, cu conversia tensiune-frecvenţă şi cu integrare Multe aplicaţii necesită interfaţarea semnalelor digitale la un calculator. Semnalele de ieşire digitale pot controla relee în scopul alimentării unor echipamente sau indicatoare iar semnalele de intrare digitale pot reprezenta starea unor comutatoare indicând poziţia acestora sau pot fi utilizate pentru a comunica între instrumente.Circuitele digitale nu se limitează la nivele joase TTL sau CMOS ci la nivele de tensiune mari de zeci sau uneori sute de volţi. Pentru asemenea situaţii sunt necesare circuite de adaptare între circuitele de nivel jos şi cele de tensiune mare sau curent ridicat. O problemă importantă a sistemelor de achiziţie o reprezintă eliminarea influenţei zgomotelor asupra sistemului. Mediile industriale sunt influenţate de diverse surse de zgomot. De exemplu liniile de alimentare cu tensiune alternativă, echipamentele de electronică de putere, staţiile radio şi alte echipamente electronice pot creea zgomot într-o bandă largă. Din fericire există tehnici simple cum ar fi filtrarea, medierea, măsurarea diferenţială care pot controla zgomotul în sistemele de achiziţie. Izolarea galvanică reprezintă o altă metodă de reducere a influenţei zgomotelor prin eliminarea buclelor de masă. Pe de altă parte izolarea galvanică are şi rolul de protecţie, separând sursa de semnal de circuitul de măsură. Tensiunile mai mari de 10 V pot distorsiona datele sau pot distruge componentele utilizate în sistemul de achiziţie de date. De aceea semnalele de nivel mare sau semnalele cu vârfuri de tensiune mare trebuie izolate. Metodele de izolare pot fi magnetice, optice sau capacitive.

2.1. Senzori şi traductoare 2.1.1 Introducere Procesele industriale impun necesitatea efectuării de măsurări asupra unor mărimi neelectrice. Echipamentele moderne de măsurare se bazează pe sisteme electrice şi electronice ceea ce duce la creşterea preciziei, sensibilităţii, vitezei de lucru şi flexibilităţii de adaptare la situaţiile concrete de măsurare a celor mai diverse mărimi. Temperatura, presiunea, debitul, nivelul, poziţia şi alţi parametrii fizici necesită, pentru a putea fi măsuraţi, transformarea dintr-o mărime neelectrică într-o mărime electrică (curent sau tensiune). Acest lucru se realizează cu ajutorul dispozitivelor numite traductoare. Schema generală a unui traductor este prezentată în figura 2.1. x

y Senzor

Adaptor

8

Figura 2.1 Schema generală a unui traductor

Senzorul sau elementul sensibil permite detectarea mărimii fizice de măsurat x, eliminând sau reducând la minim influenţele pe care le exercită asupra sa toate celelalte mărimi fizice existente în mediul respectiv. Adaptorul are rolul de a aduce informaţia obţinută la ieşirea senzorului la cerinţele impuse de dispozitivul care o utilizează, furnizând semnalul y, tensiune sau curent, într-o gamă care să permită interfaţarea. 2.2. Traductoare de deplasare Pentru măsurarea deplasărilor se folosesc diferite tipuri de traductoare : rezistive, inductive, capacitive, cu radiaţii, numerice, de proximitate. 2.2.1 Traductoare rezistive de deplasare Traductoarele rezistive bobinate sau cu pista conductoare pot fi folosite la măsurarea unor deplasări liniare de ordinul centimetrilor sau unghiulare în domeniul 0-240°(360°), respectiv n⋅ 360°pentru traductoare multitur, unde n reprezintă numărul de ture. Rezistenţa totală a traductoarelor rezistive de deplasare poate fi cuprinsă între 100 Ω şi 100 KΩ , cu toleranţe de ordinul a ± 10% şi o liniaritate ce poate fi cuprinsă între 0,1 si 1 %. Rezoluţia obţinută cu aceste traductoare depinde de diametrul conductorului sau de dimensiunea granulelor. 2.2.2.Traductoare capacitive Funcţionarea traductoarelor capacitive pentru măsurare deplasărilor are la bază condensatorul plan şi condensatorul cilindric la care se obţine o variaţie a capacităţii în funcţie de deplasarea armăturilor condensatorului sau deplasarea dielectricului . Există mai multe tipuri de traductoare capacitive pentru măsurarea deplasărilor: - traductor capacitiv cu distanţa variabilă între armături plane; - traductor capacitiv cu suprafaţă variabilă între armături plane; - traductor capacitiv cu dielectric variabil între armături plane; - traductor capacitiv cu suprafaţă variabilă între armături cilindrice

2.2.3.Traductoare digitale pentru deplasare Acest tip de traductoare furnizează informaţia măsurată direct sub formă numerică. Ele pot fi absolute, dacă prin citirea informaţiei se stabileşte poziţia măsurandului în raport cu un punct de referinţă sau incrementale (relative), dacă în urma modificării măsurandului se obţine o succesiune de impulsuri , numărul cuantelor fiind proporţional cu variaţia măsurandului. Traductoarele digitale sau numerice se pot clasifica în: - traductoare numerice cu contact, la care informaţia este dispusă pe zone conductoare sau izolatoare, lecturarea făcându-se în curent; - traductoare numerice magnetice, pentru care pe un suport magnetic se realizează zone premagnetizate, la care citirea se face cu capete magnetice; 9

- traductoare numerice optice, care sunt cele mai răspândite şi care au informaţia dispusă în zone transparente şi opace (principiul diascopic) sau reflectorizante şi absorbante (principiul episcopic). Pentru măsurarea deplasărilor liniare se folosesc traductoare numerice realizate sub formă de rigle iar pentru deplasări circulare aceste traductoare se produc sub formă circulară. 2.2.4.Traductoare de proximitate pentru deplasare Traductoarele de proximitate sesizează prezenţa sau absenţa măsurandului într-o anumită poziţie. Cele mai simple traductoare de proximitate sunt microântrerupătoarele care necesită contact mecanic şi deci şi o forţă de acţionare. Există alte tipuri de traductoare de proximitate care elimină contactul mecanic, acţiunea acestora manifestându-se prin câmp: magnetic, electromagnetic, electric sau radiant ( optic sau acustic ). 2.2.4.1. Traductoarele inductive de proximitate detectează prezenţa sau absenţa materialelor conductoare din apropierea traductorului. În structura lor se află patru componente majore: o bobină cu miez de ferită, un oscilator, un circuit Trigger Schmitt şi un amplificator de ieşire (figura 2.2).

Oscilator

Trigger Schmitt

Amplificator

Figura 2.2. Traductor inductiv de proximitate Oscilatorul creează un câmp magnetic în afara bobinei şi a miezului magnetic. Când un material conductor intră în câmpul magnetic, are loc apariţia curenţilor Focault în materialul respectiv ceea ce duce la reducerea amplitudinii oscilaţiilor. Circuitul Trigger Schmitt detectează schimbarea de amplitudine şi transmite un semnal către amplificatorul de ieşire. Dacă materialul conductor este îndepărtat de traductor, amplitudinea oscilaţiilor revine la valoarea iniţială, circuitul Trigger Schmitt sesizând acest lucru şi transmiţând o comandă către amplificatorul de ieşire. Ieşirea traductorului poate furniza semnale tip contact de releu, normal închise sau normal deschise. Datorită limitărilor câmpului magnetic, senzorii inductivi de proximitate pot sesiza corpuri la o distanţă de maxim 6 mm. 2.2.4.2 Traductoarele capacitive de proximitate pot detecta atât corpuri conductoare cât şi corpuri izolatoare. Senzorul capacitiv funcţionează ca un condensator deschis. Un condensator poate fi cel mai simplu descris ca fiind alcătuit din două conductoare de potenţiale diferite, separate de un material izolator. Corp detectat Ecran C0

Izolator A B

C1(x)

C1(x) C0

Armătură

x

C2(x)

C2(x)

a)

b) 10 Figura 2.3. Traductor capacitiv de proximitate

UAB

În traductoarele capacitive, în capul de detecţie se află un ecran şi o armătură, astfel poziţionate încât ele lucrează ca un condensator deschis –figura 2.3.9.a-folosind aerul ca dielectric. Schema echivalentă a detectorului este prezentată în figura 2.3.9.b. Ca şi în cazul senzorilor inductivi , aceste elemente de detecţie sunt conectate la un oscilator, un circuit Trigger Schmitt şi un amplificator de ieşire. Dacă în câmpul de detecţie apare un corp conductor sau izolator, capacitatea dintre armătură şi ecran creşte, determinând modificarea amplitudinii oscilaţiilor care schimbă starea circuitului Trigger Schmitt, astfel apărând un semnal la ieşire. Diferenţa dintre senzorii inductivi şi cei capacitivi este că senzorii inductivi oscilează până când în câmpul electromagnetic apare un corp conductor, pe când la senzorii capacitivi oscilaţia apare odată cu prezenţa corpului conductor sau izolator în apropierea capului de detecţie. 2.2.4.3.Traductoare optice. Datorită sensibilităţii pe care o prezintă, la realizarea traductoarelor de proximitate se folosesc şi traductoarele optice. Există două variante constructive: a) traductoare de proximitate cu barieră, pentru care emiţătorul de lumină şi respectiv receptorul, se află de o parte şi de alta a unei bariere şi b) traductoare tip reflector, la care atât emiţătorul cât şi receptorul se află de aceeaşi parte a obiectului detectat. Ca surse de lumină se folosesc becuri sau LED-uri în vizibil sau infraroşu iar ca fotodetectoare se folosesc fotorezistoare, fototranzistoare, fotodiode sau celule fotovoltaice, urmate de blocuri de prelucrare corespunzătoare. 2.2.5. Traductoare pentru viteze liniare şi unghiulare În practică, de cele mai multe ori se foloseşte măsurarea vitezelor unghiulare, vitezele liniare fiind convertite de sisteme mecanice în viteze unghiulare (turaţii), legătura dintre ele fiind dată de relaţia: v=ωR,

(2.4.)

unde : v este viteza liniară, ω este viteza unghiulară iar R este raza de giraţie. O categorie importantă de traductoare de turaţie o reprezintă tahogeneratoarelegeneratoare electrice de curent continuu sau curent alternativ-care furnizează o tensiune proporţională cu viteza unghiulară. 2.2.6 Traductoare pentru măsurarea presiunii Traductoarele pentru măsurarea presiunilor mici (1-10 bar ), medii (10-100 bar ) şi mari (peste 100 bar ) se numesc manometre iar cele pentru presiuni foarte mici ( sub 1 bar ) se numesc vacuummetre. Măsurarea presiunilor medii şi mari se poate realiza cu ajutorul capsulelor manometrice la care elementul sensibil la presiune constă dintr-un tub închis la un capăt al cărui interior este în legătură cu lichidul sau gazul al cărei presiune se măsoară. Tubul este realizat din oţel inoxidabil şi la unele tipuri din bronz fosforos. Pe suprafaţa exterioară a tubului sunt fixaţi patru senzori tensometrici rezistivi, doi în direcţie axială şi doi în direcţie perpendiculară pe ea. Cei patru senzori sunt conectaţi într-o schemă de punte alimentată în alternativ. Senzorii tensometrici rezistivi reprezintă senzori rezistivi la care variaţia rezistenţei electrice se produce prin variaţia lungimii conductorului ca efect al alungirii sau contracţiei. Dacă 11

senzorul tensometric este fixat pe o porţiune dintr-o piesă care se deformează din cauza unei solicitări, el se va deforma la fel ca piesa. Materialul din care se execută carcasa capsulei manometrice poate fi alamă sau oţel. Carcasa este ermetic închisă şi vidată, permiţând măsurarea presiunilor absolute pentru valori de 7-7000bar. Figura 2.5. ilustrează posibilitatea măsurării diferenţelor de presiune mici . Manometrul este alcătuit din doi cilindrii gofraţi (1) în care pătrund fluidele de presiune P1, respectiv P2. În funcţie de diferenţa de presiune DP=P2-P1, lama elastică (2) este încovoiată într-un sens ceea ce va conduce la alungirea, respectiv comprimarea a câte doi senzori tensometrici (3), care fiind conectaţi într-o punte rezultă că tensiunea de dezechilibru este proporţională cu DP. Presiunile mici absolute pot fi măsurate utilizând un singur cilindru gofrat cu carcasa vidată. 1 4 P1 P2

2 3

Figura 2.5. Măsurarea diferenţelor de presiune mici Pentru măsurarea presiunilor foarte mari se utilizează capsule manometrice cu senzori piezorezistivi. Efectul piezorezistiv constă în modificarea rezistivităţii unui material dacă este supus unei presiuni exterioare crescătoare din toate direcţiile. Acest efect apare ca urmare a deformării reţelei cristaline produsă de presiunea exterioară senzorului-figura 2.6.

R,DR

Capsula manometrica cu senzor piezorezistiv Pentru majoritatea metalelor şi pentru intervale restrânse de variaţie a presiunii, rezistenţa electrică variază liniar cu presiunea: 12

R=R0(1+bDp),

(2.7)

unde R0 este rezistenţa electrică la presiunea de o atmosferă iar b este un coeficient de presiune. Cel mai utilizat material este manganina, deoarece influenţa temperaturii este redusă faţă de alte materiale. Manganina prezintă o rezistenţă iniţială R0=100 W. 2.2.7 Traductoare pentru măsurarea temperaturii Măsurarea temperaturii se face cu ajutorul termometrelor, existând două tipuri de astfel de aparate: termometre cu contact la care senzorul ce converteşte temperatura într-o mărime electrică trebuie să fie în contact nemijlocit cu locul de măsurare şi termometre de radiaţie cu ajutorul cărora măsurarea se poate executa de la distanţă. Principalele tipuri de traductoare sunt: termocuplul, termorezistenţa, termistorul, traductorul de temperatură cu cuarţ, traductoarele optice şi traductoarele integrate. 2.2.7.1 Termorezistenţa Un senzor de temperatură, foarte răspândit în industrie, este termorezistenţa, care este un senzor parametric, realizat dintr-un fir conductor, sau o peliculă metalică depusă pe un suport, care îşi modifică rezistenţa cu temperatura după o relaţie de forma: Rt=R0[1+aDT+b(DT)2+…],

(2.2.7.1)

obţinută prin dezvoltarea în serie Taylor, în jurul valorii R0 (cu DT=T-T0, iar a, b,…sunt coeficienţi constanţi pentru intervale de temperatură precizate). De obicei R0 se determină la temperatura T0=0°C. În practică se utilizează relaţia : Rt=R0[1+AT+BT2+C(T-100°C )],

(2.2.7.2.)

în care T este tempera în °C, R0 este valoarea rezistenţei la 0°C, iar A, B şi C sunt coeficienţi indicaţi în tabele, obţinându-se o precizie mai bună de 1%. Termorezistenţele sunt bobine de dimensiuni reduse, sau pelicule metalice depuse pe un suport ceramic, realizate din cupru, nichel sau platină. Circuitele de măsură cu termorezistenţe necesită o sursă de excitaţie, de exemplu o sursă de curent constant, care să producă pe termorezistenţă o cădere de tensiune măsurabilă cu un sistem de achiziţie de date. Proiectarea circuitului de măsură trebuie să ţină seama de sensibilitatea scăzută a termorezistenţei, care la o rezistenţă uzuală de 100W prezintă o variaţie cu temperatura de sub 0,4 W/°C. În aceste condiţii trebuie găsite soluţii pentru ca erorile datorate firelor de legătură să fie minime. În figura 2.10 este prezentată o schemă de măsură cu două fire, utilizată acolo unde lungimea firelor de legătură este mică, astfel încât rezistenţa lor (2r) să fie neglijabilă în raport cu cea a senzorului (Rt). Iex r Rt

Um r

Figura 2.10 13 Schemă de măsură cu două fire

Tensiunea măsurată este: Um=Iex(Rt+2r),

(2.2.7.3.)

unde Iex este curentul constant de excitare al termorezistenţei. În aceste condiţii rezultă o eroare de măsură sistematică e=2r/Rt. Rezistenţa conductoarelor de legătură poate fi micşorată prin creşterea secţiunii sau prin alegerea unor conductoare din materiale cu rezistivitate foarte scăzută, având insă ca rezultat creşterea preţului. Pentru evitarea erorilor datorate firelor de legătură se poate utiliza o schemă de măsură cu patru fire , aşa cum se arată în figura 2.12 Prelevarea căderii de tensiune pe termorezistenţă se face cu ajutorul unui amplificator de măsură cu rezistenţă de intrare foarte mare şi curent de polarizare neglijabil. În acest caz se poate scrie că: Um=IexRt, (2.2.7.4.) Iex r r Rt

Um

r r

Figura 2.12 Schemă de măsură cu patru fire Dezavantajul acestui circuit este reprezentat de faptul că se foloseşte un număr mare de conductoare de legătură şi un amplificator de măsură diferenţial. Folosirea unui astfel de circuit este utilă în cazul unor măsurări de precizie cu senzori plasaţi la distanţe mari (peste 2m). Se poate reduce numărul de conductoare dar cu preţul creşterii erorilor de măsură , aşa cum se arată în figura 2.13, dar cu avantajul posibilităţii de utilizare a unui amplificator asimetric.

Iex r r Rt

Um r Figura 2.13 Schemă de măsură cu trei fire

14

Tensiunea măsurată are valoarea: Um=Iex(Rt+r),

(2.2.7.5.)

Alte posibilităţi de măsurare cu termorezistenţă implică utilizarea unor circuite cu punte Wheatstone, excitată cu o sursă de tensiune. Şi în acest caz trebuie găsite soluţii pentru compensarea rezistenţei conductoarelor de legătură. 2.2.7.2 Termistorul Problema compensării rezistenţei conductoarelor de legătură dispare atunci când se utilizează ca dispozitiv de măsură termistorul, care are o rezistenţă de câţiva kW la temperatura de 25°C, cu mult mai mare decât rezistenţa firelor de legătură. Termistorul este un dispozitiv realizat dintr-un semiconductor special care îşi modifică puternic rezistenţa cu temperatura, conform relaţiei: Rt=a exp(b/T),

(2.2.7.6.)

în care a şi b sunt constante, iar T este temperatura în °K. Sensibilitatea unui termistor este: S=dRt/dT=-Rb/T2,

(2.2.7.7.)

adică scade cu pătratul temperaturii. Acest lucru indică utilizarea la temperaturi relativ mici pentru asigurarea unei sensibilităţi ridicate. Cel mai utilizat circuit de măsură este puntea Wheatstone. Trebuie subliniat că termistorul are o comportare puternic neliniară, ceea ce impune liniarizarea caracteristicii. Pe de altă parte, dimensiunile termistorului sunt reduse ceea ce implică un timp de măsurare foarte mic şi evitarea perturbării câmpului de temperaturi din sistemul supus măsurării. 2.2.7.3 Senzorii de temperatură integraţi Ca senzor de temperatură se poate folosi şi o joncţiune p-n, şi, plecând de aici, se ajunge la senzorii de temperatură integraţi. Se cunoaşte că o joncţiune p-n polarizată direct este caracterizată de ecuaţia de funcţionare: I D ≅ I 0 exp(

qU D ), kT

(2.2.7.8)

unde : ID este curentul direct, I0 este curentul de saturaţie, q este sarcina electronului, k este constanta lui Boltzman, UD este tensiunea de polarizare directă iar T este temperatura de lucru. Menţinând curentul constant şi modificând temperatura , tensiunea de polarizare directă a unei joncţiuni de siliciu variază cu aproximativ –2mV/°C pentru o gamă largă de temperaturi (-55… +150°C). Se obţine astfel un senzor de temperatură, prezentat în figura 2.7.8, pentru care se poate scrie: UD =

I kT ln D , q I0

(2.2.7.9.)

relaţie ce scoate în evidenţă o caracteristică liniară UD(T).

15

Iex =ID

Um=UD

D

Figura 2.14 Senzor de temperatură bazat pe joncţiunea p-n Datorită dificultăţilor de etalonare şi dispersiei parametrului I0 , senzorii de acest fel, practic, nu se pot folosi. Folosind însă, principiul prezentat, s-au realizat senzori cu arie de tranzistoare împerecheate, ce se bazează pe posibilitatea de măsurare directă a temperaturii cu ajutorul diferenţei tensiunilor de pe două joncţiuni identice polarizate cu curenţi diferiţi. Un exemplu în acest sens îl constituie circuitul AD 590 produs de firma Analog Devices (figura 2.15) .Tranzistoarele T1 şi T2 sunt identice şi conectate într-o schemă clasică de oglindă de curent, astfel încât pe fiecare ramură, curentul de intrare I, să se distribuie egal I/2. A doua oglindă de curent, formată din tranzistoarele T3 şi T4, având şi rolul de senzor de temperatură, primeşte aceşti curenţi. Cele două tranzistoare T3 şi T4 sunt realizate pe aceeaşi pastilă de siliciu şi joncţiunile lor bază-emitor se folosesc ca joncţiuni sensibile la temperatură. Tranzistorul T4 este realizat prin punerea în paralel a 8 tranzistoare identice, astfel încât curentul care străbate joncţiunile să se împartă egal pe fiecare. Astfel, prin T3 circulă curentul I/2 iar prin fiecare din cele opt tranzistoare componente ale lui T4 circulă curentul I/16. Diferenţa tensiunilor joncţiunilor sensibile la temperatură va fi: Ut =

kT I /2 kT ln = ln 8 = T ⋅179 µV / °C , q I / 16 q

(2.2.7.10)

şi apare pe rezistenţa de 358 W străbătută de curentul I/2. De aici rezultă că circuitul descris mai sus este străbătut de un curent proporţional cu temperatura absolută T: I = T ⋅1 ⋅ µA / °K

,

(2.2.7.11)

T1

I

T3 I

T2

T4

358 W

I/2 Figura 2.15 Schema circuitului AD 590

16

În figura 2.16 este indicată o schemă de utilizare a senzorului integrat AD 590, care permite obţinerea unei tensiuni proporţionale cu temperatura în °C, utilizând un rezistor de precizie de 1kW±0,5% ca traductor de curent şi o referinţă de tensiune de 273,15 mV.

+3…+40V AD 590 + 1mV/°K

1k W

Referinţă 273,15 mV

Um

-

Figura 2.16 Schemă de utilizare a circuitului AD 590

Dacă se notează cu q temperatura ce trebuie măsurată , iar cu A câştigul amplificatorului de măsură, se obţine pentru tensiunea de ieşire: Um=A (I×R-Uref)=A×[(q+273,15°K) ×1mV/°K-273,15mV], (2.2.7.12) Um=A×1mV/°C Câştigul A se alege în funcţie de domeniul de temperatură ce trebuie măsurat şi în funcţie de marja de tensiune de intrare a circuitului de achiziţie de date. De exemplu, pentru un domeniu de temperaturi de –10…+70°C, se obţine o tensiune de intrare diferenţială variind între –10…70 mV. Dacă se alege A=50, rezultă o tensiune de ieşire între -0,5…+3,5V, care poate fi preluată de un sistem de achiziţie de date de uz general.

17

Capitolul III CONDIŢIONAREA SEMNALELOR 3.1.Generalităţi Prin condiţionarea semnalelor se înţelege în sens larg, atât adaptarea de semnal dintre traductoare şi circuitele de conversie analog-numerică sau dintre circuitele de conversie numericanalogică şi elementele de execuţie (operaţie numită şi condiţionare de semnal), precum şi operaţia de conversie analog-numerică şi numeric-analogică. Tipul de condiţionare depinde evident de senzorii care sunt utilizaţi. De exemplu, un semnal poate avea nivel mic şi necesită o amplificare, sau poate conţine componente parazite care cer realizarea unei filtrări. Anumite operaţii de condiţionare de semnal se realizează între circuitele de conversie numeric-analogică şi elementele de execuţie, precum şi pe partea de intrări/ieşiri numerice. Condiţionarea semnalelor se realizează prin operaţii cum ar fi: conversii de semnal, izolare galvanică, amplificare, filtrare, liniarizare, multiplexare şi aşa mai departe. Circuitele pentru conversia semnalelor au apărut atât din necesitatea transformării semnalelor furnizate de traductoare în semnale compatibile cu sistemul de calcul cât şi al transformării semnalelor furnizate de sistemul de calcul în semnale adaptate elementelor de execuţie. Printre operaţiile de conversie se pot enumera: conversii numeric-analogice şi analognumerice, conversii curent-tensiune şi tensiune-curent, conversii rezistenţă-tensiune şi altele. 3.2 Conversii numeric-analogice şi analog-numerice Semnalele analogice fac parte din lumea reală: lumina, temperatura, presiunea, etc…Un semnal digital este o reprezentare numerică a semnalului analogic. Este mai uşor şi mai ieftin să fie procesate semnalele digitale. Prin urmare semnalele analogice, reale se convertesc în semnale digitale cu ajutorul circuitelor de conversie analog-numerice , se procesează digital, şi dacă e nevoie se readuc în lumea reală prin conversie numeric-analogică.

Figura 3.1 Conversia analog-numerică 18

În fig. 3.1. este prezentată principial schema de intrare a unor semnale fizice în calculator. Se observă că după blocul corespunzător senzorilor şi circuitelor de condiţionare a semnalelor urmează un bloc de conversie analog-numerică, care are ca element principal convertorul analognumeric (CAN). Figura 3.2 ilustrează conversia numeric-analogică, cel mai important bloc din schemă fiind convertorul numeric-analogic (CNA).

Figura 3.2 Conversia numeric-analogică

3.2.2 Principiul conversiei numeric-analogice Se vor utiliza coduri ponderate pentru prezentarea informaţiei numerice deoarece prezintă avantajul unei exprimări naturale şi sunt compatibile cu circuitele de calcul numeric. În cazul unui astfel de cod, o cifră din cadrul unui număr are atât semnificaţia valorii sale propriu-zise, cât şi a ponderii datorate poziţiei în cadrul numărului. Conversia numeric-analogică presupune transformarea valorii şi ponderii cifrelor numărului într-o mărime analogică corespunzătoare. Se consideră un număr binar întreg de N biţi, de forma: N −1

BN −1BN −2 ... Bi −1... B1 B 0 = ∑Bi 2i , i =1

(3.2.1) Cifra Bi-1 ocupă poziţia i începând cu bitul cel mai puţin semnificativ (LSB) şi are ponderea 2i-1, ceea ce înseamnă că ponderea creşte de la dreapta spre stânga, bitul cel mai semnificativ (MSB) având ponderea 2N-1. Observaţiile precedente sunt valabile şi pentru numere binare subunitare de N biţi: N B B1 B2 ... Bi ... BN −1 BN = ∑ ii , i =1 2 (3.2.2) Se poate observa că procesul de conversie numeric-analogic este similar cu procedeul de transformare a unui număr din sistemul de numeraţie binar, în sistemul de numeraţie zecimal, în acest caz asociindu-i fiecărei cifre binare “1” o anumită valoare a unei mărimi electrice (curent sau tensiune) care se însumează ponderat conform rangului pe care îl ocupă în cadrul reprezentării numerice (pentru cifra “0” se asociază valoarea zero a aceleiaşi mărimi electrice). Modificarea ponderii cifrelor cu factori de forma 1/2i sugerează o soluţie simplă pentru realizarea operaţiei de ponderare. Aceasta ar fi utilizarea unor reţele rezistive divizoare, cu mai multe noduri, având între noduri succesive raportul de divizare 1/2. Rezistenţele corespunzătoare 19

cifrelor binare sunt introduse în circuit atunci când cifra binară asociată este 1 sau sunt deconectate în caz contrar, prin intermediul unor comutatoare electronice. Cele mai obişnuite tipuri de reţele sunt cele cu rezistenţe ponderate şi cu rezistenţe R – 2R. Comutatoarele electronice se pot realiza cu tranzistoare bipolare sau cu tranzistoare cu efect de câmp. În fig. 3.3 este prezentată schema bloc de principiu a unui convertor numeric-analogic (CNA) pe n biţi. Convertorul numeric-analogic are n buffere care au rolul de a memora valoarea actuală a intrării binare care trebuie convertită într-un semnal analogic. Ieşirile bufferelor controlează câte un comutator (cheie) care este asociat unei anumite rezistenţe din reţea. O tensiune internă de referinţă de mare precizie este conectată la reţeaua de rezistenţe pentru stabilirea domeniului tensiunii de ieşire. Amplificatorul operaţional furnizează tensiunea de ieşire U e care va depinde de acţiunea comutatoarelor care pot conecta sau deconecta rezistenţe din circuit.

Figura 3.3 Schema bloc a unui CNA A. CNA cu rezistenţe ponderate Pentru înţelegerea principiului de proiectare a unui astfel de convertor, în fig. 3.4 este prezentat un CNA pe 4 biţi cu rezistenţe ponderate. Se observă că registrul care conţine biţii de intrare controlează cele 4 comutatoare, astfel încât sunt posibile 16 configuraţii în funcţie de poziţia comutatoarelor. Amplificatorul operaţional este conectat ca un circuit de însumare.

20

B1 B2 B3 B4

Figura 3.4 Structura unui CNA pe patru biţi cu rezistenţe ponderate Considerând numărul subunitar R 2 Ue=Uref R

adică:

⋅

4

Ue= Uref⋅

R 4 B1+ Uref R

Bi

∑2 i =1

i

⋅

n = B1 B2 B3 B 4

R 8 B2+ Uref R

⋅

( Bi putând fi 0 sau 1), se poate scrie:

R 16 B3+ Uref R

⋅

B4,

(3.2.3)

sau Ue=k⋅ n,

(3.2.4) Relaţia de mai sus arată că mărimea de ieşire Ue este o fracţiune din mărimea de referinţă Uref şi proporţională cu numărul aplicat la intrare. Această structură de convertor numericanalogic permite obţinerea a 16 nivele de tensiune la ieşire în funcţie de numărul aplicat la intrare. Dezavantajul major al circuitului este că necesită rezistenţe într-o plajă largă de valori ( R-16R pentru 4 biţi dar inacceptabil pentru 8 biţi R-256R) ceea ce reprezintă o problemă în cazul realizării convertorului sub forma unui circuit integrat. Pentru rezolvarea acestei probleme se utilizează structuri de convertoare numeric-analogice bazate pe reţele de rezistenţe R – 2R, care se pretează foarte bine tehnologiei de fabricare a circuitelor integrate, deoarece se repetă aceleaşi operaţii de implantare a unor rezistenţe de valori mici şi egale. B. CNA cu reţea de rezistenţe R-2R cu comandă în tensiune Un convertor analog-numeric pe 4 biţi cu reţea R – 2R, echivalent cu cel din fig.3.2.4, este prezentat în fig. 3.5. Structura reţelei de rezistenţe din fig. 3.2.5 este astfel proiectată încât oricare dintre comutatoare determină acelaşi efect în tensiunea de ieşire ca şi comutatorul similar din fig. 3.2.4.

21

B1 B2 B3 B4

Figura 3.5 Structura unui CNA pe patru biţi cu reţea de rezistenţe R-2R comandate în tensiune 3.2.3 Convertoare analog-numerice Un convertor analog-numeric (CAN) este un circuit care transformă un semnal de intrare continuu în timp, x(t), într-o succesiune de numere binare x(n). Procesul de conversie analognumeric plasează semnalul de intrare într-un interval de cuantizare, obţinut prin divizarea intervalului de variaţie a acesteia într-un număr de clase egale. Acest lucru este posibil prin utilizarea unui circuit de eşantionare şi reţinere(memorare)-sample and hold (S/H) în limba engleză-care măsoară semnalul de intrare în ritmul unui tact şi menţine acest semnal fixat pentru un interval de timp suficient de mare pentru ca operaţia de conversie analog-numerică să se poată realiza. Elementul S/H are intrare şi o ieşire pentru semnalul analogic, şi o intrare de control S/H, având următoarele regimuri de lucru: -eşantionare- prin care semnalul de intrare este achiziţionat şi transmis la ieşire; -memorare-prin care semnalul de intrare este menţinut constant pe o perioadă de timp precizată printr-o comandă externă. Circuitele S/H sunt alcătuite de regulă dintr-un buffer urmat de un comutator electronic conectat la un condensator. Operaţiunea de eşantionare şi reţinere (sample and hold) constă în următoarele etape principale: 1. La un moment de eşantionare, comutatorul electronic conectează bufferul şi condensatorul la semnalul de intrare; 2. Condensatorul se încarcă cu tensiunea de intrare; 3. Sarcina condensatorului este menţinutã atâta timp cât CAN-ul converteşte semnalul; 4. Dacã sunt mai multe canale conectate (multiplexate) la un CAN, etapele anterioare sunt repetate pentru fiecare canal de intrare; 5. Întregul proces este repetat la următorul moment de eşantionare. 22

Un circuit de intrare analogică utilizat pentru eşantionarea semnalelor conţine de regulă un multiplexor, un circuit S/H şi un CAN – Fig. 3.6 Circuitul S/H conţine bufferele de intrare şi de ieşire de tip amplificator BI şi BO, translatorul de nivel TN care asigură execuţia corectă a comenzii de eşantionare/memorare, comutatorul (cheia) electronic CE şi condensatorul de memorare C. Atunci când CE este închis circuitul este în aşa-numitul regim de eşantionare sau de urmărire, iar când CE este deschis – regimul de memorare. O dată realizată eşantionarea – adică preluarea eşantioanelor din semnalul de intrare, semnalul eşantionat trebuie convertit din tensiune (aşa cum se află la ieşirea circuitului S/H) întrun număr binar pe care sistemul de calcul îl poate citi şi prelucra. Conversia semnalului eşantionat, caracterizat de valori precise ale amplitudinii, în număr binar se numeşte cuantificare. În timpul cuantificării, CAN-ul foloseşte un număr finit de valori pentru reprezentarea semnalului analogic. Numărul de valori este determinat de numărul de biţi utilizaţi pentru conversie.

Figura Figura3.6 3.8 32.4 Caracteristici principale ale CAN Cicuit de intrare pentru eşantionarea semnalelor Un convertor analog-numeric este un dispozitiv care se utilizează pentru conversia semnalelor din formă analogică în formă numerică. Un astfel de dispozitiv, reprezentat în fig. 3.7, primeşte la intrare, de regulă, o tensiune continuă în gama 0-10 V sau -10 ÷ +10 V împreună cu o tensiune de referinţă şi furnizează la ieşire semnale binare, cuvinte cu lungimea de 8-22 biţi.

+- V REF VREF+

Date digitale

VIN VREF-

Fig. 3.7 Circuit de măsură pentru un CAN

23

Un principiu des utilizat în realizarea convertoarelor analog-numerice este acela al compensării automate. Tensiunii de la intrare i se asociază o valoare numerică, care este după aceea convertită din nou în formă analogică. Valoarea numerică este ajustată în mod automat, astfel încât să compenseze eroarea dintre tensiunea de intrare în CAN şi corespondentul analogic al mărimii numerice de la ieşire. În funcţie de modul de generare a valorii numerice, există mai multe tipuri de CAN, cele mai reprezentative fiind: CAN cu comparare multiplă, cu aproximări succesive, cu integrare cu pantă simplă sau dublă, cu conversie intermediară în frecvenţă, cu filtrare digitală, etc. Convertoarele analog-numerice sunt caracterizate de domeniul tensiunii de intrare, caracteristica de transfer, liniaritate, precizie, rezoluţie, timp şi rată de conversie. a)Tensiunea de intrare Domeniul tensiunii de intrare reprezintă intervalul maxim de variaţie al mărimii analogice de intrare şi se exprimă în V sau mV. b) Caracteristica de transfer reprezintă dependenţa mărimii de ieşire faţă de mărimea de intrare, în formă ideală această caracteristică având forma unei funcţii scară aşa cum se va vedea în continuare în figura 3.3.3 pentru un CAN pe trei biţi. Conversia analog-numerică constă în convertirea unui semnal de intrare continuu într-o fracţie y prin compararea cu un semnal de referinţă. Mărimea de ieşire numerică din CAN este o reprezentare codificată a acestei fracţii y. Dacă ieşirea CAN este pe n biţi, atunci numărul nivelelor de valori discrete de ieşire este de 2n. Prin urmare, pentru a respecta o corespondenţă, domeniul analogic de intrare trebuie cuantificat în acelaşi număr de nivele. Fiecare astfel de nivel sau cuantă este o valoare analogică pentru care două coduri adiacente de ieşire diferă, şi diferenţa dintre ele mai este numită dimensiune a bitului LSB:

LSB=D/2n,

(3.2.5.)

Figura 3.8 Caracteristica statică a unui CAN pe trei biţi

24

În relaţia de mai sus notaţia LSB este uşor improprie şi reprezintă valoarea analogică a celui mai puţin semnificativ bit, iar D este domeniul mărimii de intrare (full scale). Toate valorile analogice de intrare din interiorul unui nivel de dimensiune D/2n sunt reprezentate de acelaşi cod numeric de ieşire. Deoarece semnalul de intrare poate să difere de valoarea medie a unui astfel de subinterval analogic cu cel mult ± LSB/2 şi să fie totuşi reprezentat de acelaşi cod de ieşire, rezultă că există o incertitudine sau eroare de cuantificare de ± LSB/2 în orice CAN. Efectul acestei erori poate fi redus doar prin creşterea numărului de biţi ai ieşirii CAN. Pentru cazul particular, prezentat în figura 3.8, dimensiunea unui nivel de cuantificare din mărimea de intrare este de D/23=D/8 şi prin urmare domeniul de intrare este împărţit în 8 subintervale distincte de la 0 la (7/8)D . Trebuie observat faptul că ieşirea maximă, adică numărul binar 111, corespunde nu domeniului maxim de intrare ci lui (7/8)D. CAN-urile au caracteristici statice reale, care diferă de caracteristica ideală prezentată anterior. I. Rezoluţia În afara erorilor de conversie, un alt indicator important al performanţelor CAN este rezoluţia. Rezoluţia unui CAN este specificată prin numărul de biţi şi indică câte coduri digitale de ieşire, distincte, sunt posibile la ieşirea convertorului. De exemplu, pentru 8 biţi, sunt posibile 28 = 256 coduri de ieşire. II. Precizia Un alt indicator de performanţă al CAN este precizia. Precizia caracterizează capacitatea circuitelor de conversie de a respecta cu stricteţe caracteristica de transfer ideală. Precizia se defineşte ca fiind diferenţa dintre tensiunea de intrare reală şi echivalentul analogic al codului binar de ieşire din CAN. Atunci când este exprimată în volţi se numeşte precizie absolută, dar de multe ori se exprimă relativ la semnalul analogic, se exprimă în LSB şi se numeşte precizie relativă. Precizia este dată de suma maximă a tuturor erorilor de conversie, inclusiv a erorii (incertitudinii) de cuantificare. III. Parametrii de regim dinamic Pentru regimul dinamic al CAN se defineşte timpul de conversie tc ca fiind intervalul de timp dintre startarea operaţiei de conversie şi momentul în care convertorul furnizează mărimea de ieşire finală. Inversa timpului de conversie este rata de conversie care se măsoară în conversii/secundă. Utilizarea circuitelor de tip Sample/Hold între intrarea analogică şi CAN conduce la apariţia unui timp de întârziere suplimentar numit timp de deschidere (aperture time), de care trebuie să se ţină seama în aprecierea performanţelor. IV. Semnale de intrare şi ieşire ale CAN Pentru analiza tipurilor de semnale de intrare şi de ieşire ale unui CAN se poate observa fig. 3.3.8, care prezintă intrările şi ieşirile unui CAN monolitic tipic. IV a) CAN cu integrare cu pantă dublă Tehnica utilizată în cadrul acestor CAN este ilustrată de schema bloc din fig. 3.9. şi de diagrama temporală din fig. 3.10. Tensiunea de intrare este integrată pe un interval fix de timp T1 care în general corespunde numărului maxim furnizat de numărătorul din cadrul CAN. La sfârşitul acestui interval, numărătorul este resetat şi intrarea integratorului este comutată pe tensiunea de referinţă negativă. Ieşirea integratorului va descreşte liniar până la zero, moment în care numărătorul este oprit şi integratorul este resetat. Sarcina de pe condensatorul integratorului acumulată în primul interval T1 trebuie să fie egală cu pierderea de sarcină din al doilea interval T2 şi prin urmare vom avea:

25

T1 ⋅ ui ( mediu ) = T2 ⋅ U ref ⇒

T2 ui ( mediu ) = =y, T1 U ref

(3.2.6.)

Fracţia y este raportul celor două intervale de timp şi este de asemenea ieşirea binară a numărătorului în raport cu numărul maxim furnizat de acest numărător. Prin urmare numărul (ieşirea numărătorului) de la sfârşitul celui de-al doilea interval T 2 este chiar cuvântul binar de ieşire din CAN. Schema prezentată poate fi adaptată la diferite codificări binare. Tehnica de tip pantă dublă oferă mai multe avantaje, cum ar fi rejecţia foarte bună a zgomotelor şi faptul că variaţiile în frecvenţa ceasului nu afectează rezoluţia, care este determinată doar de performanţele componentelor analogice utilizate şi nu de neliniarităţile diferenţiale ale convertorului. Se poate obţine uşor o rezoluţie bună ajustând dimensiunea numărătorului şi frecvenţa de ceas. Aceste tipuri de CAN au o rezoluţie foarte bună (12 – 18 biţi). Dezavantajul principal este viteza redusă (timp de conversie mare). Se utilizează în aplicaţii cum ar fi multimetre numerice, la măsurarea temperaturii etc.

Figura 3.9 Structura unui CAN cu pantă dublă

Figura 3.10 Diagrama temporală 26

3.4 Conversia curent-tensiune şi tensiune-curent În situaţia în care senzorii sau elementele de execuţie din cadrul unui sistem industrial se află amplasate la distanţe relativ mari faţă de calculatorul de proces, este necesară transmiterea nealterată a semnalelor între calculator şi elementele de execuţie şi între senzori şi calculator pe o linie de transmisie analogică. Pentru astfel de cazuri se evită folosirea semnalului de tensiune, care depinde puternic de rezistenţa liniei de transmisie, şi se preferă utilizarea surselor de curent, semnalul util fiind intensitatea curentului. Deoarece CAN-urile utilizează semnal de tensiune, pot fi necesare două conversii: o conversie tensiune/curent dacă semnalul care provine de la senzor este de tip tensiune şi o conversie curent/tensiune la intrarea CAN (Fig. 3.11).

Figura 3.11 Schemă principială de transmisie a semnalelor între senzor şi calculator 3.4.1 Conversia curent-tensiune În cazul în care traductorul furnizează la ieşire semnal unificat de curent continuu (2-10 mA, 4-20 mA), trebuie realizată o conversie în tensiune, care de altfel se face foarte simplu, cu ajutorul unei rezistenţe. Valoarea rezistenţei se determină în funcţie de curentul de ieşire al traductorului şi de domeniul de tensiune dorit. De exemplu, pentru curent în gama I=4÷ 20 mA şi tensiune U=2÷ 10 V rezultă rezistenţa R= 500 Ω (a se vedea fig. 3.4.2). Pentru rezistenţa R este suficientă o toleranţă de ± 0.1 % , importantã fiind stabilitatea valorii rezistenţei. Abaterea faţă de valoarea nominală se poate corecta prin program după efectuarea unei calibrări iniţiale.

Figura 3.12 Convertor curent-tensiune simplu

Utilizarea unui convertor curent-tensiune cu amplificator operaţional este recomandată în cazul în care senzorul furnizează un curent de R valoare mică, figura 3.4.3. Această schemă realizează şi transformarea unei surse de curent cu rezistenţă internă mare într-o sursă de tensiune cu rezistenţă internă redusă. U+

i + u0 R

27

Figura 3.13 Convertor curent-tensiune cu amplificator operaţional Dacă curentul de polarizare la intrarea amplificatorului operaţional este neglijabil faţă de curentul i, furnizat de sursa de curent, este valabilă relaţia: u0= -iR,

(3.4.1)

3.4.2 Conversia tensiune-curent Acest tip de conversie se poate realiza foarte uşor cu ajutorul unui amplificator operaţional. Un astfel de circuit asigură o relaţie liniară între tensiunea de comandă şi curentul care parcurge impedanţa de sarcină. Amplificatorul operaţional poate fi utilizat în configuraţie inversoare sau neinversoare, impedanţa de sarcină putând fi flotantă sau conectată la un terminal de masă, respectiv la borna pozitivă sau negativă a sursei de alimentare. În figura 3.4.4 este reprezentat un convertor tensiune-curent bisens cu sarcină flotantă care utilizează un amplificator inversor (fig. 3.4.4, a) sau neinversor (fig. 3.4.4, b), impedanţa de sarcină fiind conectată în circuitul de reacţie. Pentru ambele circuite, în condiţiile în care se consideră neglijabil curentul de intrare al amplificatorului faţă de curentul de sarcină şi excursia maximă a tensiunii de ieşire nu este depăşită, este valabilă relaţia: Is=Ui/R,

(3.4.2)

care indică independenţa curentului faţă de valoarea rezistenţei de sarcină. Se poate opta pentru unul dintre cele două convertoare în funcţie de impedanţa necesară la intrarea convertorului tensiune-curent.

I

Is

R Ui

Rs

I

R

Is

-

Rs -

+

+

a

b

Figura 3.1.4 Convertor tensiune-curent cu amplificator operaţional

28

Pentru a mări valoarea maximă a curentului de sarcină se poate utiliza în circuitul de reacţie un etaj suplimentar în contratimp. 3.5 Conversia rezistenţă-tensiune În cazul senzorilor a căror ieşire este de tip rezistenţă (cum ar fi termorezistenţele, mărcile tensorezistive etc.) este necesară conversia variaţiilor rezistenţei în variaţii de tensiune (fig. 3.5.1). Semnal numeric Caracteristi Convertor ca Senzor rezistiv rezistenţăreală tensiune Fig. 3.15. Conversia rezistenţă-tensiune 4/8D Această conversie se poate realiza cu un simplu montaj potenţiometric (fig. 3.5.2). Dacă R este rezistenţa senzorului, tensiunea de ieşire este: Ue =

RU , R + R1

(3.5.1)

unde U este tensiunea de alimentare şi R1 este rezistenţa conectată în serie cu rezistenţa senzorului.

U

R1 R

Ue

r R Figura 3.5.2. Conversia rezistenţă-tensiune cu montaj potenţiometric Montajul potenţiometric introduce o neliniaritate asupra parametrului măsurat, chiar dacă senzorul în sine este liniar – se poate observa uşor neliniaritatea relaţiei 3.5.1. De aceea se foloseşte de multe ori metoda clasică a dispunerii senzorului în montaje cu punţi Wheatstone.

Un astfel de montaj este prezentat în fig. 3.5.3.

29

Figura 3.5.3 Conversia rezistenţă-tensiune cu punte Wheatstone Senzorul este dispus în puntea Wheatstone, şi dacă impedanţa de intrare a amplificatorului de măsurare este infinită (practic foarte mare), atunci tensiunea de ieşire din punte este dată de relaţia:  R1 R3   ⋅ U , U e =  −  R + R1 R2 + R3 

(3.5.2)

În general, rezistenţa senzorului variază liniar în jurul unui rezistenţe de echilibru R0 în funcţie de parametrul măsurat: R = R0 (1 + a ) ,

(3.5.3) unde a este mult mai mic decât 1, iar semnalul măsurat este aR0. Puntea Wheatstone este reglată astfel încât tensiunea de ieşire să fie nulă atunci când rezistenţa senzorului este egală cu rezistenţa de echilibru, condiţie de anulare care se realizează pentru R0=R1=R2=R3. În acest caz, din (3.5.2), (3.5.3) se obţine: Ue = −

a a a2  ⋅ U ≅ − U − U , 4 + 2a 8  4

(3.5.4)

Se observă că prin utilizarea montajului în punte se elimină tensiunea continuă suprapusă peste semnalul măsurat care era prezentă în cazul montajului potenţiometric, existând în continuare o uşoarã neliniaritate (care poate fi neglijabilă ţinând cont de faptul că a este foarte mic).

3.6 Izolare galvanică Interfeţele de proces asigură joncţiunea dintre sistemul de calcul şi procesul condus, şi prin urmare trebuie luate măsuri de siguranţă astfel încât defectarea unei componente a procesului condus (inclusiv traductoare, elemente de execuţie) să nu provoace defectarea sistemului de 30

calcul. Printre tehnicile de protecţie utilizate în asemenea situaţii se numără şi izolarea galvanică între circuitele calculatorului şi cele ale procesului. Izolarea galvanică constă în eliminarea oricărei conexiuni electrice directe între circuitele calculatorului şi cele corespunzătoare procesului. Acest lucru se realizează de regulă electromagnetic (cu transformatoare şi relee), optic (cu optocuploare sau izolatoare optice) şi capacitiv (cu bariere capacitive). Utilizarea izolării galvanice în sistemele de achiziţie şi conducere asigură protecţia sistemului şi a operatorului, reducerea zgomotului şi rejecţia tensiunilor de mod comun, în special a celor provocate de buclele de masă. Izolarea electromagnetică presupune utilizarea transformatoarelor de izolare (acolo unde puterea semnalului transmis este semnificativă şi acolo unde frecvenţa de lucru a semnalului transmis este ridicată) precum şi a releelor electrice în cazul liniilor de intrare sau ieşire de tip digital . Izolarea optică se realizează cu ajutorul optocuplorului care este un ansamblu alcătuit dintr-un fotoemiţător, de obicei o diodă electroluminiscentă şi un fotodetector, de obicei un fototranzistor, cuplate optic şi separate galvanic (figura 3.6.1). Această structură este introdusă într-o carcasă cu pereţi opaci. Rezistenţa de izolaţie între circuitul de intrare şi cel de ieşire este de 1010÷ 1012 Ω iar tensiunea de izolaţie are valori în intervalul 1000÷ 3000 V.

Figura 3.6.1 Optocuplorul

Ι zolarea capacitivă se utilizează în circuitele de amplificare şi pesupune existenţa unei bariere capacitive pentru izolare galvanică (figura 3.6.2). Amplificatorul foloseşte un circuit de intrare şi unul de ieşire unite între ele prin două capacităţi de izolare de 1pF. Circuitul de amplificare se alimentează de la două surse externe Vs1 şi Vs2 în scopul realizării izolării galvanice. Tensiunea de intrare este modulată şi transmisă digital prin bariera de izolare de către circuitul de intrare. Circuitul de ieşire primeşte semnalul modulat, îl demodulează şi îl converteşte într-o tensiune analogică eliminând componentele parazite rezultate prin demodulare.

Figura 3.6.2 31 Amplificator cu izolare cu barieră capacitivă

3.7 Amplificare Funcţia de amplificare este utilizată în marea majoritate a sistemelor de achiziţie de date care lucrează în instalaţiile industriale. Circuitele care realizează funcţia de amplificare sunt amplificatoarele operaţionale (AO). Ele sunt utilizate, de regulă, ca o interfaţă între senzori şi circuitele de conversie analog-numerice pe de o parte şi între circuitele de conversie numericanalogice şi elementele de execuţie, pe de altă parte (figura 3.7.1). Amplificatoarele utilizate la interfaţa cu senzorii trebuie să aibă o amplificare definită cu precizie şi de regulă aceste amplificatoare sunt realizate pe baza amplificatoarelor operaţionale (AO), care au amplificarea foarte mare (care poate fi definită precis ca raport a două rezistenţe) şi impedanţă de intrare foarte mare (teoretic infinită). Se folosesc diverse structuri de AO (în montaj inversor, neinversor, diferenţial etc.).

Senzor

AO

CAN

Micro controler

CNA

AO

Ieşire analogică

Fig. 3.7.1 Utilizarea AO în sistemele de achiziţie de date Există numeroşi senzori care furnizează semnale de nivel mic care trebuie amplificate pentru a putea fi prelucrate şi convertite în semnale numerice (un exemplu tipic este cel al termocuplurilor). Intervalul de variaţie a tensiunii de intrare pentru CAN-uri este în general de 0 – 10 V. Dacã semnalul de la ieşirea traductorului nu depăşeşte 1 V performanţele de achiziţie se înrăutăţesc (rezoluţia, precizia, influenţa zgomotelor). Prin urmare apare clar necesitatea amplificării. Prima problemă care se pune pentru amplificarea semnalelor mici este protecţia contra zgomotului. Într-adevăr, dispozitivul constituit din senzor şi firele sale de legătură cu amplificatorul poate să culeagă semnale parazite a căror amplitudine poate fi superioară celei a procesului de măsurat. Acest zgomot provine din cuplajele parazite cu masa sau cu alimentarea, dar poate fi în egală măsură indus direct prin firele de legătură. Pentru reducerea raportului zgomot/semnal se utilizează legături cu impedanţa mică constituite din cabluri coaxiale sau din perechi torsadate ecranate.

32

Montajul de amplificare cel mai simplu constă în utilizarea unui circuit asimetric precum cel din fig. 3.7.2, construit cu AO simplu, unde una dintre intrări este legată la masă. Această tehnică dă în general rezultate satisfăcătoare atunci când senzorul are o impedanţă mică şi când furnizează tensiuni de ordinul volţilor.

A Ud

Senzor

Amplificator B

Figura 3.7.2 Conectarea unui senzor la un amplificator în montaj asimetric În caz contrar, este necesar sã îmbunătăţim rejecţia zgomotului apelând la un montaj simetric precum cel din fig. 3.7.3. Amplificatorul folosit este de tip AO diferenţial, care se caracterizează prin faptul că rejectează puternic semnalele de mod comun cum ar fi zgomotul. Un AO diferenţial este un dispozitiv cu impedanţă de intrare relativ mică care nu este proiectat pentru a fi conectat direct la senzor şi care transformă un semnal diferenţial într-unul nedifernţial. Dacă circuitul este corect echilibrat, sursele de zgomot afectează într-un mod aproape identic cele două fire de legătură între senzor şi amplificator, astfel încât semnalul util Ud nu este practic afectat de zgomot nici atunci când este măsurat cu un amplificator diferenţial. Cu un astfel de montaj, tensiunea Ud furnizată de senzor este dată de diferenţa tensiunilor Ua şi Ub de la cele două borne ale amplificatorului. A Ud

Senzor

Ua

Amplificator Ub

B

Figura 3.7.3 Conectarea unui senzor la un amplificator în montaj simetric Zgomotele parazite care afectează în mod egal cele două fire de legătură între senzor şi amplificator produc o tensiune de mod comun Umc care este exprimată cu relaţia: Umc=(Ua+Ub)/2,

(3.7.1)

În practică, echilibrarea circuitului nu este niciodată perfectă şi o tensiune de mod comun produce totdeauna o tensiune reziduală parazită care este cu atât mai mică cu cât dispozitivul este mai bine echilibrat. Din acest motiv caracterizarea calităţii unui montaj se face prin factorul (raportul) rejecţiei de mod comun CMRR (Common Mode Rejection Ratio) care este în general exprimat în decibeli: U CMMR = 20 log  mc  U rez

  , 

(3.7.2)

unde Urez este tensiunea diferenţială reziduală obţinută la ieşirea amplificatorului datorită tensiunii de intrare de mod comun Umc. 33

Se observă astfel că pentru a măsura cu o eroare mai micã de 1% ieşirea unui termocuplu care furnizează o tensiune de 10 mV, montajul trebuie să aibă un raport de rejecţie CMRR mai mic sau egal cu 100 dB dacă tensiunea de mod comun este de 10 V. Pentru aplicaţiile de precizie din domeniul achiziţiilor de date se utilizează amplificatoare de instrumentaţie. Amplificatoarele de instrumentaţie sunt destinate conectării direct la senzor, amplificând foarte mult tensiunea rezultată. Ele cumulează cele mai bune performanţe ale AO şi AO diferenţiale.

3.7.1 Amplificatore diferenţiale Un amplificator diferenţial este construit dintr-un amplificator operaţional împreună cu un număr de 4 sau 5 rezistenţe. Dispozitivul astfel rezultat prezintă o serie de caracteristici precum impedanţă de intrare redusă (10 kΩ ÷ 1 MΩ), raport de rejecţie al modului comun moderat (70 ÷ 80 dB) şi lăţime de bandă de 100 kHz ÷ 5 MHz. Amplificatoarele diferenţiale acceptă la intrare o tensiune diferenţială şi furnizează la ieşire o tensiune nediferenţială, raportată la un punct comun al circuitului, proporţională cu tensiunea de intrare. Ele pot fi utilizate cu funcţiuni de atenuare, repetare sau amplificare a tensiunii de intrare. Schema unui amplificator diferenţial este indicată în figura 3.7.4. Se poate observa că tensiunea de mod comun de la intrarea circuitului( VCM ) nu se regăseşte în valoarea tensiunii de ieşire. Tensiunea de referinţă VREF este utilă pentru translatarea nivelului de tensiune în funcţie de nivelul cerut de convertorul analog-numeric ce urmează de regulă amplificatorului diferenţial. 12k

6k

V-in VCM

VOUT = (V+in - V-in )/2 + VREF

V+in

12k

6k

VREF 0

Fig. 3.7.4 Amplificator diferenţial Prin adăugarea de rezistenţe suplimentare, se poate obţine o schemă de amplificator diferenţial care poate suporta tensiuni de mod comun de nivel foarte mare ( ± 200 V ) în comparaţie cu tensiunile sale de alimentare (± 15V ). 1M

50k

V-in V+in

VCM 0

50k

2.7778k

1M

V0

52.6316k

VREF =0 34

0

Fig. 3.7.5 Amplificator diferenţial pentru tensiuni mari de mod comun

În figura 3.7.5, prezentată mai sus, rezistenţele adăugate suplimentar divizează tensiunea de mod comun, pentru acest exemplu, cu un factor de 20. Circuitul prezentat suportă tensiuni de mod comun de ± 200 V permanent şi de ± 500 V pentru maxim 10 secunde. Includerea rezistoarelor în structura integrată are avantajul realizării unui raport precis între valoarea rezistorului din reacţia circuitului şi valoarea rezistorului de pe intrarea circuitului, precizie asigurată de prelucrarea cu laser a rezistoarelor. Deşi acest lucru duce la creşterea costurilor, are ca efect o îmbunătăţire a performanţelor circuitelor faţă de situaţia realizării lor cu componente discrete. 3.8 Filtrare Filtrarea reprezintă prelucrarea unui semnal (în domeniul timp) având ca rezultat schimbarea spectrului de frecvenţă original al semnalului. Schimbarea constă în reducerea (filtrarea) unor componente nedorite ale semnalului. Filtrele se pot împărţi în două mari categorii: filtre analogice şi filtre numerice. Filtrele analogice sunt plasate înaintea convertorului analog-numeric pe când filtrele numerice se plasează după convertor. Un filtru analogic poate îndepărta zgomotul suprapus peste semnalul analogic înainte ca el să fie convertit digital. Sunt eliminate inclusiv vârfurile de zgomot, care dacă au valori în apropierea capătului de scală pot satura modulatorul analogic al convertorului analog-numeric, chiar dacă valoarea medie a semnalului se află în interiorul valorilor limită. Nu este posibilă eliminarea acestor vârfuri cu ajutorul filtrului digital. Pe de altă parte filtrele analogice sunt recomandate la frecvenţe mari, peste câţiva kHz, deoarece la aceste frecvenţe filtrele digitale introduc întârzieri datorită tehnicilor de mediere folosite în eliminarea zgomotului din bandă şi din afara ei. Teoria modernă a eşantionării şi a prelucrării numerice a semnalelor a făcut posibilă înlocuirea filtrelor analogice cu cele numerice în numeroase aplicaţii, printre avantajele filtrelor numerice numărându-se : − filtrele numerice sunt programabile software şi prin urmare sunt uşor de construit şi de testat; − performanţele filtrelor numerice nu variază în funcţie de temperatură sau umiditate; − filtrele numerice au un raport cost/performanţă mai bun decât filtrele analogice; − filtrele numerice sunt stabile şi nu necesită componente de mare precizie; − filtrele numerice necesită doar operaţii aritmetice simple de înmulţire şi adunare /scădere şi prin urmare sunt uşor de implementat. Din punct de vedere al realizării fizice, un filtru numeric poate fi un program într-un calculator, un microprocesor programabil sau un circuit integrat dedicat. Indiferent de tipul lor (analogice sau numerice), filtrele reduc sau elimină componentele de frecvenţă nedorită din semnalul prelucrat. În funcţie de domeniul de frecvenţă în care semnalele sunt lăsate să treacă sau sunt atenuate (rejectate), filtrele por fi clasificate în patru categorii: filtre trece jos (FTJ) – lasă să treacă semnalele de frecvenţă joasă şi atenuează componentele de frecvenţă înaltă; filtre trece sus (FTS) – lasă să treacă semnalele de frecvenţă înaltă dar atenuează semnalele de frecvenţă joasã; 35

filtre trece bandă (FTB) – lasă să treacă semnalele care au frecvenţa într-o anumită bandă de frecvenţă; filtre opreşte bandă (FOB) – atenuează semnalele care au frecvenţa într-o anumită bandă de frecvenţă.

Capitolul IV SISTEME AVANSATE DE ACHIZIŢIE ŞI CONDUCERE Un sistem de achiziţie şi conducere (SAC) are structura simplificată din figura 1.1, prezentată în capitolul introductiv, şi conţine următoarele blocuri funcţionale ca interfaţă cu sistemul industrial (figura 4.1): - sistem de achiziţie de date analogice (SADA) care este destinat citirii datelor în formă analogică, date ce pot proveni de la traductoare şi adaptoare de măsură; - sistem de generare de date analogice (SGDA) care este principalul mijloc de obţinere a unor comenzi în formă analogică; semnalele astfel obţinute pot fi aplicate elementelor de execuţie sau pot fi afişate pe monitoare analogice; - sistem de intrări şi ieşiri numerice (SIIN) utilizat la conectarea cu echipamente numerice sau la interfaţarea cu elemente de comutare comandate electric.

Magistrala locală

Către magistrala sistemului de calcul

Sistem de achiziţie de date analogice (SADA) Sistem de generare de date analogice (SGDA) Sistem de intrări şi ieşiri numerice (SIIN)

Fig. 4.1 Blocurile de interfaţă ale unui sistem de achiziţie şi conducere faţă de procesul industrial 4.1 Sisteme de achiziţie de date analogice (SADA) 36

X(t) Condiţionare de semnal

XS(t)

Eşantionare şi memorare

Convertor analognumeric

Interfaţare cu magistrala

Sistemele de achiziţie de date analogice (SADA) pot fi clasificate, în funcţie de numărul de canale analogice, în SADA monocanal şi SADA multicanal. Pe lângă numărul de canale analogice un astfel de sistem mai este caracterizat de rezoluţia conversiei, rata de eşantionare /canal, rata de transfer, posibilităţi de condiţionare a semnalelor analogice de la intrare. 4.2 SADA monocanal SADA monocanal, în forma sa cea mai simplă, este reprezentat de un convertor analog-numeric care reprezintă componenta esenţială a oricărui tip de SADA. În plus mai poate conţine şi circuite de condiţionare a semnalelor care pot fi programabile sau neprogramabile.

BUS

Logica de control şi sincronizare Fig. 4.2 Sistem de achiziţie de date analogice monocanal În figura 4.2 este reprezentat un SADA monocanal care are o singură intrare analogică simetrică sau asimetrică. O configuraţie posibilă de SADA monocanal o constituie circuitul pentru măsurarea temperaturii care are în structura sa un senzor de temperatură, un convertor analog-numeric, un microcontroler şi un circuit de afişare aşa cum este indicat în figura 4.3.

Senzor de temperatură

Convertor analog-numeric

Microcontroler

Circuit de afişare

Fig 4.3 Circuit pentru măsurarea şi afişarea temperaturii Figura 4.4 cuprinde schema electronică a circuitului, redând în detaliu structura fiecărui bloc prezentat mai sus. Senzorul de temperatură LM 35 (U7), este de tip integrat şi are tensiunea de ieşire proporţională cu temperatura exprimată în °C, lucrând în domeniul -55÷ 150°C. El este astfel conectat încât măsoară temperaturi pozitive, furnizând la ieşire un semnal de 10mV/°C. Semnalul analogic astfel obţinut este preluat de convertorul analognumeric TLC 549 (U6) şi transformat în semnal digital. Convertorul este un convertor cu aproximaţii succesive, având o rezoluţie de 8 biţi, fiind proiectat pentru interfaţare serială cu microprocesoare şi microcontrolere cu ajutorul unei ieşiri de date DOUT de tip 3-state. TLC549 foloseşte o intrare de semnal de ceas, I/OCK împreună cu o intrare de date de control de tip selectare, cip select CS, un circuit intern de memorare şi eşantionare care lucrează independent sau sub controlul microcontrolerului şi un convertor de viteză mare prevăzut cu două intrări de referinţă de tensiune diferenţială. Circuitul permite conversia cu o eroare de ± 0,5 LSB, în mai puţin de 17 μs. 37

6

TE L F C -

D

O

1

1 R 2 0 . 2 k

C 2 1 5

p F

0

3

R 2 0 . 2 k R 2 0 . 2 k

a b

U C

C

2 1 0

Q 0

V

C

C

R 2 R 2 0 . 2 k 0 . 2 k R 2 R 2 R 2 0 . 2 k 0 . 2 k 0 . 2 k

_ + 5 V

6 a4

H

a3

7 4

a2

A B C

2

a1

2 3

G 2B G 2A G N D

0 1

U 6 G 1 1 C V 1 C 3 C8

R 1 0 . 2 k R 1 0 . 2 k

V

R 1 0 . 2 k R 1 0 . 2 k

C

Q B

1 C

C

_ + 5 V V C C

3

Q 2 B8

2 C

Q 3 2 8 B

_ +V 5 C V C

12

11

10

9

0

C

2 D 0

3 D 1 Q 1

1 7 L3 E 2 V C C

18

Q 2

T 5

19

4 D 2

5 D 3 Q 3

C

5 4 8

V

H

g h

z

7 4

7 8

0

D

17

1 3 7

7 E N

6

B

D 0 O G

D 4

R

9 1 1

Q 4

1 2 6

16

B

15

R

7

1 1 5

D 5

B

5 A 7 4 H

4

Q 5

R

U

5 6

H

F

1

U

1 0 4

e f

M

9 3

R B K I R B

c d

4

1

Y

8

C

0

D 6

1

Y

1 p

6 F R 8 B4

8 2

D

0 C 1 5

7 1

T

Q 6

N

B

R

4 / T O 3

16

G

6 0 / I N

F

0

14

5

A A

B

4 u

3 4

R R

O S C 1 /C L K IN

3 2

I C

R

0

Q 7

P

C 1

12

M C LR

0 1 2

+ 5 V

7 6 5 4 3 2 1 0

1

A A A

M 3 5 o u t

Y Y Y Y Y Y Y Y

Y

1 7 1 8 R R 1 R

_

V

R 3 1 0 0

0 1 2 3 4 5

0

C

K

7 9 1 1 1 1 1 1

Y

C

C

13

1 4

U

n FV

I / O

1 2

0

C 3 1 0 0

7

L

3

4

T

O S C 2 /C L K O U T

E

VD D

S

3 3 6

4 9 2 I N

15

E

4

5

TN

14

R

L M D

UA

VC C

R

2

k

G N D

1 0

R 4 0 . 1 k

2

1

G N D

VC C

2

W

1

S

C S

1

5

8

Microcontrolerul PIC16F84 (U1) este prevăzut cu o intrare de reset, pinul MCLR, două intrări OSC1 şi OSC2 unde se conectează cristalul de cuarţ de 4 MHz ce fixează frecvenţa de lucru a circuitului, pinii de alimentare şi două porturi de date. PORTA este un port de 5 pini, doi utilizaţi pentru selecţia circuitelor U4 şi U6 şi doi folosiţi de circuitul pentru afişare multiplexată. PORTB are 8 pini şi este conectat la magistrala comună de date a sistemului. În memoria internă de program a microcontrolerului se află algoritmul de lucru al sistemului, microcontrolerul gestionând astfel întreaga funcţionare a sistemului de măsurare şi afişare. Circuitul de afişare este realizat cu 4 celule de afişare cu led-uri cu 7 segmente (U3), afişarea realizându-se sub formă multiplexată. Selecţia fiecărei celule de afişare este făcută de microcontroler cu ajutorul circuitului decodificator 74HC138 (U2). Informaţia ce trebuie afişată este furnizată de microcontroler la PORTB şi transmisă la circuitul de afişare cu ajutorul circuitului 74HCT573 (U4) care conţine 8 latch-uri de tip D. Validarea circuitelor U6 şi U4 este făcută de microcontroler cu semnale furnizate la pinii portului PORTA, şi anume semnalul Y0 pe pinul RA0 pentru convertorul analog-numeric (U6) şi Y1 pe pinul RA1, inversat pentru circuitul U4. V C C _ + 5 V V C C _ + 5 V V C C _ + Y 5 V0 C C _ + 5 V Transmiterea semnalului de temperatură către unV sistem de prelucrare U 6 tip de microcontroler prevăzut cu a datelor cu PC presupune utilizarea unui U 7 R 3 1 R E F + D 1 1 0 serial k circuit de transmisie a datelor sau paralel. 1 N 4 1 4 8 R 3 3

3 C

3

_ V + C5

Q 2 B8

VC

38

Fig. 4.4 Schema circuitului electronic pentru măsurarea temperaturii

4 C

_ +

3 2

5 V

8

_

+

5 V

0

4

4.3 Sisteme de intrări şi ieşiri numerice (SIIN) Sistemul de ieşiri numerice realizează transmiterea comenzilor numerice către proces. Comenzile sunt de obicei în formă binară, de tip tren de impulsuri, frecvenţă de impulsuri, durată de impuls. Sistemul ieşirilor numerice poate conţine şi amplificatoare de putere şi circuite de separare galvanică. Sistemul intrări numerice are rolul de a colecta din proces informaţiile de formă numerică (semnale binare, tren de impulsuri) sau cvasinumerică (durată de impuls, frecvenţa impulsurilor). Un astfel de sistem, atunci când este necesar, poate cuprinde şi elemente de tratare primară a informaţiei precum elemente care realizează izolare galvanică, filtrare sau protecţie. Parametrii importanţi care caracterizează SIIN sunt numărul de linii digitale disponibile, rata de transfer a datelor digitale spre sau de la proces pe aceste linii digitale precum şi capabilitatea lor în curent. Dacă liniile digitale sunt utilizate pentru controlul unor echipamente cum ar fi instalaţii de încălzire, motoare electrice sau instalaţii de iluminat nu este necesară o rată de transfer ridicată deoarece aceste echipamente nu pot răspunde foarte rapid. Numărul de linii + digitale ale sistemului trebuie să corespundă, desigur, cu numărul de 5 V c c echipamente controlate iarR curentul necesar comutării lor nu trebuie să depăşească curentul 1 k R 6 maxim furnizat de ieşirile 1 digitale în caz contrar utilizându-se pentru condiţionarea 2 , 2 circuite k D 1 K 2 R B 3 4 2 semnalelor digitale. R B 0 2 2 0 V c a + 5 V c c3 de SIIN 1 Un exemplu concludent este reprezentat de microcontrolerul PIC 16F877 care, 0 + 5 V c c aşa cum se arată în figura 4.4 R 2 are cinci porturi de intrări şi ieşiri numerice,1 înK total 2 3 40 pini ce pot 0 P I C 1 6 F 8 7 7 P I C 1 6 F 8 7 7 1 k îndeplini mai multe funcţiuni ce pot fi programate. R 7 2 4 R B 1 R 3 4 7 k U c = 0 . . . 2 4 V c c R B 4 4 7 k Q 2 În figura 4.5 sunt redate câteva posibilităţi de conectarea a intrărilor şi ieşirilor unui Q 1 B C 1 0 7 SIIN.Este utilizat portulB CB 1 al0 7microcontrolerul PIC16F877 atât pentru a primii informaţii dintr-un 0 0 proces industrial cât şi pentru a da comenzi necesare procesului. 2 4 V

4

R 5 2 2 k

2

4

I S

0

R B 5

0

O

1

I S

39

c

R 1 1 2 2 0 k

R 1 0 2 . 2 k 1

1

5

R B 2

U c = 0 . . . 2 4 V c c

c

1

K

2

2

3 4

5

R R

c

0

4

c

2

+ 5 V

O

2

0

Fig. 4.5 Posibilităţi de conectarea a intrărilor şi ieşirilor unui SIIN

Q B

0

3 C

1 0 7

4.4 Plăci pentru achiziţia datelor şi controlul proceselor industriale O posibilitate practică mult utilizată în construcţia unui sistem de achiziţie şi conducere este aceea a utilizării plăcilor de achiziţie împreună cu software-ul adecvat aşa cum este arătat sugestiv în figura 4.6. Plăcile de achiziţie, aşa cum s-a arătat în capitolul 1, sunt interfeţe de proces având atât funcţii de achiziţie cât şi funcţii de prelucrare şi transmitere către exterior a semnalelor generate de calculator. Ele înglobează toate sau numai o parte din sistemele prezentate mai sus, împreună cu funcţii suplimentare care vor fi discutate în continuare. Deoarece o bună parte din problematica sistemelor de măsurare computerizate este reprezentată de către aspectele referitoare la transmiterea şi prelucrarea informaţiei conţinute în semnale digitale, una dintre cele mai des întâlnite clasificări ale acestor sisteme este efectuată în funcţie de protocolul utilizat pentru transmiterea semnalelor digitale.

Fig. 4.6 Utilizarea calculatorului şi a plăcilor de achiziţie într-un proces industrial

Astfel, în ordinea în care diversele protocoale au început să fie utilizate dar şi în ordinea crescătoare a complexităţii acestora ,sistemele de achiziţie şi conducere computerizată pot fi clasificate în următoarele categorii principale: 40

SAC cu comunicaţie serială care reprezintă una dintre primele categorii de astfel de sisteme. Apărute odată cu ideea utilizării calculatorului în măsurare, ele au fost formate prin dotarea aparatelor de măsură cu convertoare analog – numerice şi cu interfeţe de comunicaţie serială prin intermediul cărora informaţia privind valorile măsurate să poată fi transmisă unui calculator sau transmisă de la calculator către elementele de execuţie. SAC cu comunicaţie paralelă care au o structură similară celor în care comunicaţia se realizează în mod serial, principala diferenţă constând în protocolul utilizat pentru transmiterea informaţiei. Viteza sporită de transmitere a informaţiei face ca această soluţie să fie utilizată pentru conectarea la calculator a unor aparate pentru măsurarea unor mărimi fizice cu variaţii foarte rapide precum şi a unor elemente de execuţie mai puţin lente decât în cazul anterior. SAC cu plăci de achiziţie de date care se caracterizează în primul rând prin faptul că operaţia de conversie a semnalului purtător de informaţie din formă analogică în formă digitală şi invers nu mai este efectuată de către aparatul de măsură analogic ci de către o componentă electronică distinctă (placă de achiziţie de date) montată în calculator. SAC cu calculatoare de uz industrial care utilizează de asemenea plăci de achiziţie de date şi aparate dedicate de condiţionare a semnalelor. Deosebirea în raport cu sistemele din categoria anterioară constă în faptul că aceste componente, împreună cu calculatorul care este de asemenea dedicat utilizării respective, sunt realizate sub formă de module ce se montează într-un suport (şasiu, rack) comun. Suportul comun respectiv asigură atât o parte din comunicaţiile digitale dintre componentele sistemului de măsurare cât şi etanşarea şi izolarea acestora faţă de eventualii factori de mediu agresivi (umiditate, praf etc).

Capitolul V SISTEM DE ACHIZIŢIA DATELOR ŞI CONTROLUL PROCESULUI DE VULCANIZARE A BENZILOR TRANSPORTOARE În acest capitol se vor prezenta sisteme de achiziţia datelor şi controlul proceselor industriale utilizate pentru vulcanizarea benzilor transportoare, sisteme cu care sunt echipate utilajele pentru vulcanizarea benzilor transportoare în procesul de fabricaţie, denumite prese de vulcanizat şi care funcţionează la S.C. ARTEGO S.A. Tg-Jiu. 5.1 Descrierea presei pentru vulcanizat Vulcanizarea este procesul prin care cauciucurile trec din stare preponderent plastică în stare preponderent elastică. Vulcanizate, cauciucurile revin la forma originală după ce este îndepărtată o deformare mecanică exterioară. Aproape toate cauciucurile necesită vulcanizare deoarece aceasta îmbunătăţeşte rezistenţa mecanică, duritatea şi modulul de elasticitate precum şi rezistenţa la oboseală şi abraziune. Operaţia de vulcanizare presupune menţinerea benzii transportoare la o temperatură ridicată 150200 °C şi la o presiune ridicată 100-180 barr, un anumit timp, condiţii ce sunt asigurate de presa de vulcanizat. Presa de vulcanizat benzi transportoare realizează o vulcanizare discontinuă a benzilor din cauciuc în sensul că o bandă de lungime mare, 200-300 metri, este vulcanizată pe porţiuni egale de câte 10 metri. În figura 5.1.1 este reprezentată în ansamblu presa de vulcanizat iar în figura 5.1.2 este redată o schemă simplificată a sa. 41

Aşa cum este indicat şi pe figură, platanul superior al presei este fix iar cel inferior este mobil. După ce o porţiune nouă de bandă nevulcanizată este introdusă între cele două platane, presa se închide prin ridicarea platanului inferior. Acest lucru este realizat cu ajutorul unui sistem electro-hidraulic de putere mare care poate genera presiuni de 100-180 barr între cele două platane.

Fig. 5.1.2 Încălzirea celor două platane se face cu apă supraîncălzită furnizată de o centrală termică, în apropierea presei existând un schimbător de căldură cu ajutorul căruia se realizează controlul temperaturii. Schimbătorul de căldură este dotat cu trei ventile electro-pneumatice, unul pentru încălzire (EV1), al doilea pentru reglare încălzire (EV2) iar al treilea pentru răcire (EV3). Prin secvenţa de comandă aplicată asupra lor se obţine o anumită temperatură în platanele presei de vulcanizat. Reprezentarea schematică a presei de vulcanizat şi a instalaţiei de încălzire-răcire este prezentată în figura 5.1.3.

42

5.2 Descrierea procesului supus automatizării Variaţia temperaturii şi a presiunii în funcţie de timp, în timpul procesului de vulcanizare este indicată în figura 5.2.1, împreună cu semnalele logice asociate. Se observă că, atunci când presa se închide la momentul t1, presiunea creşte de la 0 la valoarea p1 (numită prima presiune de lucru) iar temperatura creşte liniar până la valoarea T 1 (numită temperatură de vulcanizare). Momentul atingerii temperaturii de vulcanizare se notează cu t2, intervalul de timp t1-t2 constituind subciclul de încălzire. Temperatura de vulcanizare este menţinută constantă un timp, denumit timp de vulcanizare şi care este reprezentat de intervalul t 2’-t3, denumit subciclul de vulcanizare. După vulcanizare urmează subciclul de răcire, intervalul de timp t3-t4, în care temperatura scade liniar la valoarea iniţială T3 (numită temperatură de răcire). Pe acest interval, când temperatura atinge valoarea intermediară T2 (numită temperatură de trecere la a doua presiune de lucru), presiunea are o creştere la valoarea p2 numită a doua presiune de lucru. La atingerea temperaturii de răcire, notată cu T3, presa se deschide pentru a pregăti un nou ciclu de vulcanizare. Intervalul de timp t3-t4 constituie ciclul de vulcanizare.

43

Fig. 5.2.1

5.3 Modalităţi de vulcanizare Se cunosc două posibilităţi de realizare a vulcanizării. 5.4. Vulcanizare cu regulator Această posibilitate constă în menţinerea temperaturii la o valoare constantă, un anumit timp precizat de tehnologia de fabriaţie.Deoarece menţinerea constantă a temperaturii necesită utilizarea unui regulator, s-a denumit această metodă “vulcanizare cu regulator” 5.5. Vulcanizare interactivă Această metodă presupune schimbarea temperaturii la carea are loc vulcanizarea rezultănd drept consecinţă modificarea timpului în care are loc aceasta. Cu alte cuvinte, o vulcanizare poate avea loc la temperatura T1 în intervalul de timp t1 iar pentru o altă temperatură T2 vulcanizarea va avea loc în intervalul de timp t2. Dacă T1 < T2 atunci t1 > t2. Cu cât temperatura de vulcanizare este mai mare cu atât timpul de vulcanizare este mai scurt. Având în vedere cele prezentate se poate introduce observaţia că dacă la temperatura T timpul de 44

vulcanizare este t atunci în timpul kt, 0 ≤ k < 1, vulcanizarea a avut loc într-un procent de k%. Definirea procentului de vulcanizare permite realizarea unei vulcanizări modificând temperatura la diferite valori. Astfel, dacă vulcanizarea ar avea loc la temperatura T1 în timpul t1, la temperatura T2 în timpul t2, …, la temperatura Tn în timpul tn atunci vulcanizarea se poate realiza în timpul:

Această metodă de vulcanizare s-a denumit “vulcanizare interactivă”. În acest caz regulatorul nu mai este necesar iar temperatura se măsoară la intervale mici de timp astfel încât să se poată aproxima că e constantă pe acel interval de timp, calculându-se procentul de vulcanizare.

5.6 Structura sistemului de achiziţie şi conducere

În figura 5.6.1 este prezentată schema bloc a sistemului de achiziţie de date şi controlul procesului de vulcanizare pentru presa de vulcanizat benzi transportoare. Sistemul pentru achiziţia datelor şi controlul procesului de vulcanizare este construit în jurul nucleului de bază realizat cu microcontrolerul PIC16F877. Acesta preia atât semnalele digitale cât şi pe cele analogice furnizate de sistemul condus, semnale pe care le retransmite către calculatorul de proces prin intermediul modulului de comunicaţie serială tip RS 232, modul ce îndeplineşte şi funcţia de izolare galvanică între calculator şi sistemul de achiziţie de date. După prelucrarea datelor de intrare, calculatorul de proces prezintă pe interfaţa grafică rezultatele şi transmite, către procesul analizat, comenzile adecvate, atât sub formă analogică cât şi digitală.

Fig. 5.6.1 Semnalele digitale de intrare parcurg mai întâi interfaţa pentru intrări digitale în scopul 45

transformării acestor semnale din semnale de nivel ridicat, 220 V c.a. în semnale de nivel redus, 5 V c.c. acceptabile pentru microcontroler. În acelaşi timp, interfaţa pentru intrări digitale realizează şi o izolare galvanică între proces şi sistemul de achiziţie de date.

Senzorii de temperatură utilizaţi sunt termorezistenţe Pt 100 care redau un semnal analogic proporţional cu temperatura măsurată. Modulul de adaptare pentru termorezistenţă furnizează semnalul de curent continuu pentru excitarea senzorului şi preia semnalul analogic în scopul prelucrării şi transmiterii lui către microcontroler care îl converteşte în semnal digital. Presiunea, un alt semnal de intrare analogic, este măsurată cu un traductor de presiune care furnizează un semnal de curent în gama 4÷20 mA, semnal preluat de modulul de adaptare şi transmis la microcontroler. Semnalele de ieşire digitale sunt transmise procesului cu ajutorul interfeţei de ieşiri digitale care realizează o translatare de nivel de la 5V c.c. la 220 Vc.a. precum şi o izolare galvanică între sistemul de achiziţie şi proces. Semnalul analogic de ieşire, necesar convertorului electropneumatic, este furnizat prin intermediul unui adaptor 4÷20 mA.

5.7. Interfaţa pentru intrări digitale În figura 5.6.2 este prezentată interfaţa de intrare pentru mărimi digitale. Se observă că fiecare semnal digital de intrare, de tensiune ridicată, se aplică pe bobina unui releu pentru izolare galvanică.

46

Fig 5.6.2 Semnalele digitale de intrare provin de la circuitul electric de comandă al presei, circuit ce lucrează la tensiune mare, şi anume 220 V curent alternativ. Acest lucru impune utilizarea unor module de adaptare în scopul transformării semnalelor digitale de tensiune mare în semnale digitale de tensiune redusă, şi anume 0-5V curent continuu. În acelaşi timp, modulele de adaptare realizează şi o separare galvanică între tabloul electric al presei şi sistemul de achiziţie de date. În figura 5.6.2 este prezentată interfaţa de intrare pentru mărimi digitale. Se observă că fiecare semnal digital de intrare, de tensiune ridicată, se aplică pe bobina unui releu pentru izolare galvanică. Fiecare releu are amplasate o pereche de contacte, unul închis şi altul deschis, pe intrările câte unui circuit basculant bistabil de tip RS pentru a evita semnalele false datorate vibraţiilor mecanice ale lamelelor releelor în timpul comutării, aşa cum se poate observa în figura 5.6.2. Semnalele de la ieşirea 47

circuitelor bistabile de tip RS sunt preluate de portul PORT C al microcontroleru.

48

Interfaţa pentru ieşiri digitale preia semnale digitale de la portul PORTD al microcontrolerului, semnale ce au un nivel în domeniul 0÷5 V. Pentru a face trecerea la semnale de nivel mare, 220 V c.a., fiecare semnal digital se aplică în baza unui tranzistor care are ca sarcină în colector bobina unui releu de curent continuu ale cărui contacte se utilizează în circuitul de comandă de nivel mare al presei. Pe lângă rolul de schimbare de nivel în tensiune, interfaţa de ieşiri digitale realizează şi izolare galvanică între sistemul de achiziţie de date şi procesul supus automatizării. 5.8. Modulul de adaptare pentru termorezistenţă Pt 100 Măsurarea temperaturii se realizează cu ajutorul unei termorezistenţe Pt 100. Acest lucru impune utilizarea unui modul de adaptare care să furnizeze semnalul de excitaţie pentru termorezistenţă şi care în acelaşi timp să preia de la termorezistenţă semnalul util, amplificându-l în vederea conversiei analog-numerice. În figura 5.6.4 este redată structura internă a circuitului ADT70, utilizat pentru măsurarea temperaturii. ADT70 este proiectat special pentru a fi utilizat împreună cu termorezistenţele Pt 100 sau Pt 1000 la măsurarea temperaturii în domeniul -50÷500 °C, în anumite condiţii gama de măsură putând fi extinsă la -200÷1000 °C.

Fig. 5.6.4 ADT70 dispune de două generatoare de curent constant de 0,9 mA, unul alimentând termorezistenţa de măsură iar altul o rezistenţă de referinţă care are valoarea rezistenţei electrice constantă cu temperatura şi egală cu valoarea termorezistenţei la 0 °C, adică 100 Ω. Curenţii celor două surse de curent constant pot fi egalizaţi utilizând un potenţiometru conectat la pinii NULLA şi NULLB Un amplificator de instrumentaţie de precizie preia diferenţa tensiunilor de pe cele două rezistenţe pe care o amplifică, furnizând la ieşire o tensiune proporţională cu temperatura. În structura circuitului se mai regăsesc o referinţă de tensiune de 2,5 V precum şi un amplificator operaţional ce poate fi utilizat în diverse scopuri în funcţie de aplicaţie. Pentru echipamentele alimentate de la baterie circuitul are implementată funcţia SHATDOWN care reduce consumul de la 4 mA la mai puţin de 10 µA. Pentru temperaturi pozitive se poate alimenta cu o singură sursă de alimentare pozitivă de +5 V iar pentru temperaturi pozitive şi negative se utilizează o sursă duală de ±5 V. Câştigul amplificatorului de instrumentaţie este fixat cu ajutorul unui rezistor extern conectat la pinii RGA şi RGB.În cazul utilizării unei rezistenţe externe de 49,9 kΩ, câştigul amplificatorului de instrumentaţie este de 1,30. În cazul general al utilizării unei alte valori pentru rezistenţa externă RG câştigul amplificatorului de instrumentaţie se calculează cu formula: 48

Amplificare IA = 1,30*49,9 k Ω/RG Utilizarea termorezistenţei Pt100 la măsurarea temperaturii presupune luarea unor măsuri de precauţie în vederea reducerii erorilor de măsură. Astfel, deoarece variaţia temperaturii cu 1 °C provoacă o variaţie a rezistenţei electrice cu 0,384 Ω, o eroare mică în măsurarea rezistenţei cum ar fi rezistenţa firelor de legătură ale acesteia la circuitul electronic, poate cauza o eroare în măsurarea temperaturii. Pentru o elimina o astfel de eroare se impune utilizarea a patru fire pentru conectarea rezistenţei. Figura 5.6.5 prezintă schema circuitului de adaptare pentru termorezistenţa Pt100, schemă realizată cu ajutorul circuitului integrat ADT70.

Autoîncălzirea datorată curentului de polarizare constituie un alt factor de eroare. Dacă senzorul nu poate disipa căldura generată de curentul de polarizare se va măsura o temperatură crescută artificial. Acest efect poate fi redus prin utilizarea unui senzor cu un contact termic foarte bun cu mediul de lucru şi prin limitarea curentului de polarizare la valorile indicare de producătorul senzorului. Datorită nivelului mic al tensiunii care pică pe termorezistenţă se pot produce erori în măsurarea temperaturii din cauza erorilor de măsură a tensiunii. De exemplu, o eroare de 100 µV va determina o eroare de 0,4 °C a temperaturii. Un efect similar îl are şi o eroare de 1 µA în curent. Deoarece semnalul de lucru este de nivel mic se impune plasarea firelor de măsură departe de conductoare de curent mare, motoare şi alte surse de zgomot. Utilizarea firelor cu ecran reduce influenţa acestor factori perturbatori. 49

Având în vedere că se măsoară doar temperaturi pozitive, circuitul se alimentează doar de la o sursă de alimentare pozitivă. Câştigul amplificatorului de instrumentaţie se fixează cu ajutorul rezistorului extern RG în funcţie de plaja maximă a temperaturilor măsurate. Astfel că, pentru intervalul de temperatură 0÷200 °C diferenţa tensiunilor de intrare este: ∆UI = (200 °C* 0,385 Ω/°C – 100 Ω)*0,9 mA = 69,3 mV =0,0693 V, (5.6.2) Alegând RG = 0,998 kΩ rezultă tensiunea de ieşire a amplificatorului de instrumentaţie, ţinând cont de (6.3), ca fiind: UIA = 1,30* 49,9/0,998*0,0693 = 4,5045 V, (5.6.3) În figura 5.6.6 este indicată schema modulului de adaptare în condiţiile în care se doreşte eliminarea erorilor cauzate de rezistenţa firelor de legătură dintre termorezistenţă şi circuitul electronic. În acest caz rezistenţa firelor de legătură este eliminată deoarece amplificatorul de instrumentaţie măsoară diferenţa de potenţial direct pe termorezistenţă (NOD A) şi pe rezistenţa de referinţă (NOD C). Deoarece curentul care circulă spre intrările amplificatorului de instrumentaţie este extrem de mic, nu vor exista erori de măsură cauzate de rezistenţa firelor de legătură la cele două noduri. O eventuală sursă de eroare este posibilitatea existenţei unei diferenţe de potenţial între punctele NOD B şi NOD D, puncte de conectare la firele care fac legătura spre masă a celor două rezistenţe. Diferenţa de rezistenţă a firelor de conectare la masă poate duce la o tensiune de eroare la intrările amplificatorului de instrumentaţie. Prin conectarea celor două noduri la amplificatorul operaţional suplimentar din structura circuitului, cele două puncte vor fi forţate la acelaşi potenţial. Toate conexiunile trebuie realizate cât mai aproape de termorezistenţă pentru a elimina erorile.

50

5.9. Modulul de adaptare pentru traductorul de presiune Presiunea de lucru a presei de vulcanizat, 0÷200 barr, este măsurată cu ajutorul unui traductor de presiune care furnizează un semnal analogic proporţional cu presiunea, în domeniul 0÷20 mA. În figura 5.6.7 este prezentată schema bloc a circuitului de măsură.

Fig. 5.6.7 Curentul furnizat de traductor este transmis către un convertor curent/tensiune care este reprezentat de o rezistenţă electrică de 50 Ω şi care transformă semnalul de curent continuu 0÷20 mA într-o tensiune continuă în gama 0÷1000mV care este aplicată la intrarea unui amplificator de instrumentaţie. Acesta amplifică cu 5 semnalul util şi rejectează eventualele semnale de mod comun transmiţând către microcontroler un semnal analogic în gama 0÷5V ce se va aplica convertorului analog-numeric din structura microcontrolerului. Schema circuitului electronic astfel rezultat este indicată în figura 5.6.8.

51

Componenta principală este circuitul integrat INA126 care este un amplificator de instrumentaţie de precizie prezentând un curent static foarte redus (175 µA), tensiuni de alimentare într-o gamă largă (±1,35 ÷ ±18 V), tensiune de offset foarte redusă (250 µV), curent de polarizare a intrărilor foarte mic (25 nA) şi o rejecţie a modului comun de minim 80 dB. Câştigul amplificatorului poate fi setat în gama 5V/V până la 10000 V/V cu ajutorul unui singur rezistor extern: G = 5+80 k Ω/RG, (5.6.4)

5.10 Modulul de ieşire analogic În figura 5.6.9 este prezentată schema electronică pentru comanda convertorului electropneumatic ELA 114S, convertor ce necesită un semnal în gama 4÷20 mA. Modulul de ieşire analogic primeşte ca semnal de comandă un semnal numeric pe 8 biţi furnizat de microcontrolerul PIC16F877 prin portul de date PORTB şi generează un curent în gama 4÷20 mA pentru comanda convertorului electro-pneumatic. În continuare va fi descris modul de funcţionare a circuitului. La curentul de ieşire al circuitului de conversie digital-analog DAC-08, având o valoare de 0÷2 mA se adaugă un curent de 0,5 mA, curentul rezultat fiind multiplicat de 8 ori pentru a produce un curent de ieşire în gama 4÷20 mA. Se observă utilizarea unei referinţe de tensiune pozitivă, reglabilă, de 10 V, reprezentată de circuitul integrat Ref-01/CJ, notat U1. Aceasta alimentează un convertor tensiune-curent format din amplificatorul operaţional dual de precizie OP-221, notat U2A, împreună cu tranzistorul Q1 şi rezistenţele R5 şi R3. Intrarea neinversoare este conectată într-o buclă de reacţie negativă, forţând apariţia tensiunii de 10V pe rezistenţa R3 de 20 kΩ. Prin rezistenţa R3 şi tranzistorul Q1, care are hfe mare, va circula un curent de 0,5 mA. Aceeaşi tensiune de 10V este aplicată prin rezistenţa R6 la intrarea de referinţă a convertorului digital-analog U3, pinul 14, determinând curentul maxim de la ieşirea convertorului şi anume 2 mA. După calibrare, la ieşirea convertorului, pinul 4, va circula un curent între 0 şi 2 mA în funcţie de codul aplicat la intrarea digitală.

52

Fig. 5.6.9 Atât curentul de ieşire al circuitului DAC-08 cât şi curentul fix de 0,5 mA circulă prin rezistenţa de precizie R5 de 0.8 kΩ. Căderea de tensiune pe această rezistenţă se aplică unui convertor tensiune curent format din a doua parte a circuitului integrat OP-221, U2B, tranzistorul Q2, rezistenţa R4 şi sarcina reprezentată de convertorul electro-pneumatic, Y1. Deoarece pe rezistenţele R5 şi R4 cade aceeaşi tensiune, ele vor fi străbătute de curenţi care vor fi în raport cu valorile rezistenţelor şi anume 1/8. Deoarece prin rezistenţa R5 circulă un curent între 0,5 şi 2,5 mA, prin rezistenţa R4, tranzistorul Q2 şi sarcină va circula un curent de 4÷20 mA. Calibrarea se realizează cu ajutorul rezistenţelor R1 şi R2. Se aplică tensiunile de alimentare de 30V şi –5V circuitului împreună cu un ampermetru înseriat cu sarcina. Toate intrările digitale se fixează la 0 logic şi se reglează R1 până curentul de ieşire este 4 mA. Se fixează apoi intrările digitale la 1 logic şi se reglează R2 astfel încât curentul de ieşire să fie 20 mA. Deoarece tensiunea pe sarcină este VCC-6 V, pentru VCC=30 V sarcina maximă trebuie să fie de 1,2 kΩ. 5.11 Modulul de comunicaţie Între placa de achiziţie şi calculatorul de proces, schimbul de informaţie se face prin intermediul unui modul de comunicaţie serial de tip RS 232 În figura 5.6.10 este prezentată schema electronică a modulului de comunicaţie serială. Se poate observa că este vorba de o comunicaţie serială pe trei fire, masa, Rx-recepţie, Tx-transmisie între placa de achiziţie şi calculatorul de proces. Componenta principală o constituie circuitul MAX 232 care transformă semnalele logice TTL, primite de la microcontroler, în semnale specifice portului serial şi invers.

53

Protocolul de comunicaţie serială este implementat pe marea majoritate a calculatoarelor personale precum şi pe multe aparate de instrumentaţie. Conceptul de comunicaţie serială este foarte simplu. Portul serial trimite şi recepţionează octeţi de informaţie, bit cu bit. Deşi este mai lentă decât comunicaţia paralelă care transmite toţi biţii unui octet în acelaşi timp, simplitatea şi posibilitatea de transmisie pe distanţe lungi avantajează de multe ori comunicaţia serială. Comunicaţia serială necesită minim trei linii de transmisie: masa , transmisie, recepţie. Deoarece este un mod de transmisie asincron, în timp ce un octet este transmis un altul poate fi recepţionat simultan.

54

Bibliografie 1.Adrian Mihăilescu, Contribuţii la dezvoltarea sistemelor de achiziţii de date şi comandă a proceselor industriale, Teză de doctorat, 2006. 2.Alimpie Ignea, Măsurarea electrică a mărimilor neelectrice, Editura de Vest, Timişoara 1996. 3.Brînduşa Pantelimon,Constantin Iliescu, Măsurarea electrică a mărimilor neelectrce, Editura Tritonic , Bucureşti,1995. 4.Liviu T., Sisteme de achiziţii şi prelucrare numerică a semnalelor,Editura de Vest, Timişoara ,1996. 5.Onisifor Olaru, Circuite de condiţionare a semnalelor ,notiţe de curs. 6.Tănasie Volintiru,Gheorghe Ivan, Bazele tehnologiei ale prelucrării elastomerilor, Editura Tehnică, Bucureşti, 1974.

55

Cuprins Capitolul I Consideraţii generale asupra utilizării sistemelor de achiziţii în procesul de vulcanizare a benzilor de cauciuc..........................................................................................1 Capitolul II Sisteme de achiziţie a datelor şi controlul proceselor industriale.......................................3 2.1. Senzori şi traductoare................................................................................................8 2.1.1 Introducere...............................................................................................................8 2.2. Traductoare de deplasare..........................................................................................9 2.2.1.Traductoare rezistive de deplasare..........................................................................9 2.2.2.Traductoare capacitive ...........................................................................................9 2.2.3.Traductoare digitale pentru deplasare....................................................................9 2.2.4.Traductoare de proximitate pentru deplasare........................................................10 2.2.4.1. Traductoarele inductive de proximitate..............................................................10 2.2.4.2 Traductoarele capacitive de proximitate..............................................................10 2.2.4.3. Traductoare optice...............................................................................................11 2.2.5. Traductoare pentru viteze liniare şi unghiulare.....................................................11 2.2.6 Traductoare pentru măsurarea presiunii................................................................11 2.2.7 Traductoare pentru măsurarea temperaturii……..............................................…13 2.2.7.1 Termorezistenţa....................................................................................................13 2.2.7.2 Termistorul...........................................................................................................15 2.2.7.3 Senzorii de temperatură integraţi.........................................................................15 Capitolul III CONDIŢIONAREA SEMNALELOR.......................................................................................18 3.1.Generalităţi...............................................................................................................18 3.2 Conversii numeric-analogice şi analog-numerice.....................................................18 3.2.2 Principiul conversiei numeric-analogice ...............................................................19 3.2.3 Convertoare analog-numerice................................................................................22 3.4 Conversia curent-tensiune şi tensiune-curent............................................................26 3.4.1 Conversia curent-tensiune ......................................................................................27 3.4.2 Conversia tensiune-curent........................................................................................28 3.5 Conversia rezistenţă-tensiune......................................................................................28 3.6 Izolare galvanică.........................................................................................................30 3.7 Amplificare...................................................................................................................32 3.7.1 Amplificatore diferenţiale.........................................................................................33 3.8 Filtrare.........................................................................................................................35

56

Capitolul IV SISTEME AVANSATE DE ACHIZIŢIE ŞI CONDUCERE.............................................36 4.1 Sisteme de achiziţie de date analogice (SADA)............................................................36 4.2 SADA monocanal..........................................................................................................36 4.3 Sisteme de intrări şi ieşiri numerice (SIIN)..................................................................38 4.4 Plăci pentru achiziţia datelor şi controlul proceselor industriale...............................39

Capitolul V SISTEM DE ACHIZIŢIA DATELOR ŞI CONTROLUL PROCESULUI DE VULCANIZARE A BENZILOR TRANSPORTOARE.....................................................41 5.1 Descrierea presei pentru vulcanizat ......................................................................................41 5.2 Descrierea procesului supus automatizării ...........................................................................42 5.3 Modalităţi de vulcanizare...............................................................................................43 5.4. Vulcanizare cu regulator ........................................................................................................43 5.5. Vulcanizare interactivă ..........................................................................................................43 5.6 Structura sistemului de achiziţie şi conducere ........................................................................44

5.7. Interfaţa pentru intrări digitale..................................................................................46 5.8. Modulul de adaptare pentru termorezistenţă Pt 100 ..................................................48 5.9. Modulul de adaptare pentru traductorul de presiune..................................................51 5.10 Modulul de ieşire analogic...........................................................................................52 5.11 Modulul de comunicaţie ..............................................................................................53

Bibliografie.............................................................................................................55 Cuprins...................................................................................................................56

Powered by http://www.referat.ro/ cel mai tare site cu referate

57

58