Cerinte impuse sistemelor de achizitii de date

1. ROLUL UNUI SISTEM DE ACHIZITIE DE DATE

     Un sistem de achizitie de date culege informatiile necesare cunoasterii si conducerii unui proces industrial si le prelucreaza in vederea exploatarii.

     Starea procesului industrial este caracterizata in fiecare moment de valori ale unui anumit numar de parametri fizico-chimici. Atribuirea unei valori numerice unei marimi fizice sau chimice se realizeaza pe baza procesului de masurare.

     In prezent, pe plan mondial se utilizeaza tot mai mult sistemele de achizitie si de prelucrare a datelor asistate de calculator. Un asemenea sistem, cu functiile aferente din figura 1, are rolul de a obtine in timp real informatii provenite dintr-un proces si de a afisa, prelucra si stoca rezultatele.

Fig. 1. Rolul unui sistem de achizitie de date intr-un proces industrial

In figura este prezentat un exemplu de sistem de achizitie de date pentru mai multe marimi, situatie specifica majoritatii proceselor industriale.

Fig. Structura unui sistem de achizitie de date pentru mai multe marimi

Majoritatea oamenilor de stiinta, ingineri si utilizatori de PC sunt de acord cu urmatoarele elemente comune:

     Calculatorul PC este folosit pentru programarea echipamentului de testare, pentru manipularea si stocarea datelor. Termenul de PC in general acopera orice calculator pe care ruleaza un sistem de operare cu software-ul aferent. Calculatorul poate fi de asemenea folosit pentru trasarea curbelor in timp real sau pentru generarea unui raport. El nu trebuie neaparat sa controleze sistemul de masurare sau nici macar sa ramana in legatura permanenta cu acesta.

     Echipamentul de testare poate fi alcatuit din placi de achizitie pentru PC, sisteme de achizitie externe PC-ului sau instrumente de masura de sine statatoare.

     Echipamentul de testare poate realiza una sau mai multe masuratori si controla procese folosind diverse combinatii de intrari analogice, iesiri analogice, intrari/iesiri digitale sau alte functii specializate.

Dificultatea diferentierii clare a termenilor de "achizitie de date", " testare si masurare" si "masurare si control" apare din cauza granitei neclare care separa diferitele tipuri de aparate de masura in functionalitate, facilitati si performanta. De exemplu, anumite instrumente de sine statatoare contin microprocesoare sau placi de tip "plug-in", folosesc sisteme de operare si functioneaza mai degraba ca un calculator decat ca un instrument traditional.

Exista instrumente care fac posibila construirea unor echipamente de testare care achizitioneaza date de la un numar foarte mare de canale si le stocheaza intr-un calculator. Placile de achizitie transforma calculatorul intr-un multimetru digital, osciloscop sau alt instrument, instrument care are un panou virtual de comanda pe ecranul calculatorului.

1.1. Placi de achizitie "plug-in"

Ca si placile video, modem-uri sau alte tipuri de placi destinate calculatorului, si placile de achizitie se monteza intr-un slot din placa de baza a calculatorului. Astazi, in marea lor majoritate, placile sunt de tipul PCI (Peripheral Component Interconnect), vechea generatie pe bus ISA (Industry standard Architecture) fiind pe cale de disparitie.

Aceasta categorie de placi ofera un numar mare de canale de intrare (intre 8 si 64), viteza ridicata de achizitie (in general, aceasta se situeaza sub 1250Mhz), sensibilitate destul de buna pentru masurarea semnalelor mici, rezolutie de 1.16 biti si un pret relativ mic de cost.

Caracteristicile placilor de achizitie de tip "plug-in":

1. Sisteme de achizitie de date externe

Alternativa a sistemelor de achizitie plug-in, aceste sisteme externe ofera un numar ridicat de intrari/iesiri intr-un mediu mult mai bine protejat la zgomote electromagnetice si o mai mare versatilitate de modelare la diverse cerinte.

Astazi, aceste sisteme iau adesea forma unor solutii stand-alone de testare si masurare orientate in special catre aplicatiile industriale. Aceste aplicatii cer mai mult decat poate oferi un PC cu placi de achizitie incorporate.

Sistemele moderne externe de achizitie de date ofera:

o      Sensibilitate mare pentru semnalele de nivel mic;

o      Aplicabilitate mare pentru diferite tipuri de senzori;

o      Aplicabilitate pentru aplicatii de timp real;

Ca si sistemele plug-in, sistemele de achizitie externe au nevoie de prezenta unui calculator pentru prelucrarea si stocarea datelor. Acesta se monteaza direct in rack-ul sistemului de achizitie de date. Cele cateva tipuri de arhitecturi folosite pentru sistemele de achizitie externe folosesc rackuri industriale standardizate. Anumite sisteme includ si module dotate cu microprocesor care suporta toate facilitatile unui PC obisnuit: tastatura, mouse, monitor si porturi de comunicatie.

Caracteristicile sistemelor de achizitie externe:

1.3. Sisteme de timp real

Un loc aparte in locul sistemelor de masurare si control este ocupat de asa numitele sisteme de timp real. In general,acestea sunt sisteme de masura autonome, dotate cu procesor si sistem de operare dedicat. Aceste procese se preteaza a fi rulate mult mai bine pe sisteme externe dacat pe un sistem PC dotat cu placa de achizitie. Desi Microsoft Windows a devenit sistemul standard de operare pentru calculatoarele PC, acesta nu este un sistem determinist si nu poate garanta un raspuns predictibil in cazul unor masurari si procese de control critice. De aceea solutia este de a lega PC-ul la un sistem ce poate functiona autonom si care garanteaza un anumit timp de reactie la aparitia unor stimuli externi.

1.4. Instrumente discrete

La inceputuri, aceste instrumente electronice de test constau adesea dintr-un aparat de masura cu o singura intrare si sursa de alimentare. De-a lungul anilor, datorita progresului tehnologic in design, fabricatie si in tehnologii de masurare s-au extins posibilitatile si domeniile instrumentelor de masura. Aparitia unor noi instrumente ca scannere, multiplexoare, calibratoare, counter timere, nanovoltmetre, micro-ohmmetre si altele au facut posibila crearea sistemelor de testare bazate pe controlul microprocesorului, sisteme ce ofera o sensibilitate si rezolutie excelenta. Anumite sisteme de acest tip pot prelucra informatia doar pe maxim cateva canale de intrare ceea ce duce la un pret per canal ridicat. Prin adaugarea unei matrici sau a unor scanere acest pret poate fi micsorat, permitand unui singur instrument de precizie sa prelucreze informatia de mult mai multe canale de intrare. Aceste instrumente pot fi de asemenea conectate la un sistem PC-placa de achizitie.

Caracteristicile instrumentelor discrete:

1.5. Sisteme de achizitie de date hibride

Recent aparute, aceste sisteme dezvoltate in tehnologia sistemelor de achizitie de date externe combina un instrument discret gen multimetru digital interfatabil cu cateva functii caracteristice sistemelor de achizitie de date plug-in, forma finala fiind tipica pentru un instrument compact. Functiile tipice includ masurarea tensiunii si al curentilor continui si alternativi, masurarea temperaturii, frecventei precum si facilitati pentru controlul proceselor.

Caracteristicile sistemelor de achizitie de date hibride

CONDITII IMPUSE UNUI SISTEM DE ACHIZITIE DE DATE

Proiectarea unui sistem de achizitie de date trebuie sa conduca la satisfacerea conditiilor impuse de aplicatia specifica si definite in caietul de sarcini.

In principal, aceste conditii se refera la domeniul maxim de masurare, precizie, rezolutie, rapiditate, frecventa de esantionare si timpul de scrutare.

Domeniul maxim de masurare e definit ca fiind diferenta dintre valorile m_max si m_min care pot fi masurate. S-a notat cu "m" marimea masurandului.

Precizia unui sistem se exprima prin intermediul incertitudinii de masurare care afecteaza rezultatul, notata cu dM

Aceasta incertitudine poate fi doar estimata. Valoarea adevarata se inscrie in intervalul M ± dM, unde M reprezinta rezultatul furnizat de catre sistem.

Eroarea relativa a SAD se noteaza cu e_p si se defineste:

(2

Rezolutia se defineste ca fiind variatia minima Dm a marimii masurandului care produce o variatie DM a valorii M masurate. Rezolutia specifica numarul de valori distincte care pot fi asociate masurandului pe domeniul maxim de masurare.

Rapiditatea caracterizeaza capacitatea dispozitivului de a raspunde la variatiile in timp ale masurandului.

Frecventa de esantionare trebuie sa respecte conditia Nyquist:

unde F_h reprezinta valoarea cea mai ridicata din spectrul de frecvente al semnalului de masurare.

Practic, frecventa de esantionare trebuie sa fie mult superioara valorii rezultate din conditia Nyquist.

Intre doua operatii succesive de esantionare efectuate pe acelasi canal de masurare se deruleaza perioada T_e = 1/F_e. Pe durata acestui interval, trebuie esantionate si convertite N semnale, corespunzatoare la N canale.

Timpul de scrutare reprezinta durata necesara achizitiei complete pe un canal. Se poate scrie astfel:

3. INFLUENTA MEDIULUI DE MASURARE ASUPRA SISTEMULUI DE ACHIZITIE DE DATE (SAD)

Prin mediu de masurare se intelege totalitatea marimilor fizice si chimice, altele decat masurandul, care influenteaza diferitele componente ale SAD, modificandu-i astfel performantele prin alterarea semnalului de masura.

Cele mai importante influente le au temperatura, parazitii si perturbatiile electromagnetice, dar pot fi mentionati si alti factori care afecteaza rezultatul masurarii: vibratii, umiditate, radiatii nucleare, etc.

Parazitii reprezinta tensiuni sau curenti variabili si nedoriti, care se suprapun peste semnalul util, produs sau tratat de catre un aparat de masura.

Zgomotul de fond reprezinta totalitatea semnalelor nedorite, de natura fizica a componentelor care constituie dispozitivul electronic.

Spre deosebire de zgomotul de fond, care este o caracteristica proprie oricarui circuit electronic, parazitii se transmit prin cuplajul intempestiv intre un circuit sursa si circuitul pe care il perturbeaza.

Parazitii pot degrada informatia continuta de semnalul util si pot provoca reactii inoportune in sistemele de reglare. Aceasta situatie se produce mai ales atunci cand semnalele utile sunt de mica amplitudine, respectiv in zona initiala a SAD (traductoare, blocuri de conditionare a semnalului).

Influenta parazitilor asupra circuitului perturbat depinde de:

- natura si intensitatea fenomenelor electrice din circuitul sursa

- influenta sursei asupra circuitului perturbat;

- caracteristicile electrice ale circuitului perturbat.

Perturbatiile provocate de paraziti pot fi minimizate sau chiar evitate, daca se actioneaza:

- asupra sursei, pentru a limita pe cat posibil fenomenele care provoaca parazitii;

- asupra cuplajului intre circuit si sursa, in vederea anularii sau reducerii influentei perturbatoare;

- asupra circuitului perturbat, in vederea minimizarii sensibilitatii semnalului la paraziti.

Pentru a reduce influenta mediului inconjurator asupra SAD, exista doua modalitati de actiune:

- prin minimizarea influentei acestor factori, prin adoptarea de masuri de protectie adecvate: suporti antivibratii, incinte termostatate, blindaje antiparaziti, etc.

- prin luarea in considerare a influentei acestora, in vederea corectarii rezultatului masurarii.

4. TRADUCTOARE

Semnalul de iesire al unui traductor este de natura electrica. De cele mai multe ori, acest semnal este o tensiune analogica, dar poate fi si intensitatea curentului electric, frecventa acestuia sau o serie de pulsatii legate de mediul in care sunt amplasate traductoarele si de fenomenul fizic pe care trebuie sa il detecteze.

Caracteristicile cele mai importante ale traductoarelor sunt domeniul de masurare, sensibilitatea, eroarea maxima, reproductibilitatea si fiabilitatea.

Domeniul de masurare al unui traductor reprezinta diferenta algebrica intre valorile extreme m_max si m_min ale marimii de masurat pentru care marimea de iesire a traductorului, situata in interiorul domeniului nominal de utilizare, nu este afectata de erori superioare erorii maxime tolerate:

Sensibilitatea S(m) a unui traductor, pentru o valoare m data a marimii de masurat, este egala cu raportul dintre variatia marimii electrice de iesire si variatia corespunzatoare a marimii de masurat:

(

Traductoarele reprezinta primele elemente ale unui sistem de achizitie de date. Fiecarei marimi de masurat ii este asociat un traductor, cu rolul de a converti valoarea marimii intr-un semnal electric (marimea de iesire a traductorului) care, dupa o etapa de conditionare, va fi tratat corespunzator in cadrul sistemului de achizitie.

In situatia in care marimile fizice sunt direct transformabile in semnale electrice (de exemplu cuplul termoelectric) se vorbeste despre transformarea directa a marimilor fizice.

In unele cazuri, marimile mecanice sau fizice necesita o transformare prealabila pentru a putea fi convertite in semnale electrice. in aceste conditii, traductorul este prevazut cu doua elemente sensibile. De exemplu, pentru un captor de forta cu marci tensometrice, corpul pe care se face determinarea constituie elementul primar, iar puntea constituita de marcile tensometrice reprezinta al doilea element sensibil, care asigura transformarea intr-o marime electrica. Elementele secundare pot fi active sau pasive.

In functie de sursa de energie pe care o utilizeaza, traductoarele se pot clasifica in traductoare fara aport de energie externa, traductoare cu aport de energie interna si traductoare cu energie modulata de catre marimea de masurat.

4.1.Traductoare fara aport de energie externa

Pe fetele unui cristal de cuart piezoelectric, sub actiunea unei forte F, apare o sarcina Q proportionala cu forta F. In consecinta, in situatiile in care este posibila obtinerea unei forte proportionale cu marimea de masurat (presiune, acceleratie etc.), se dispunem de un semnal electric care traduce aceasta marime. In consecinta, este posibila realizarea unui traductor fara aport de energie externa. Se spune ca traductorul constituie un generator de energie cu modulatie interna.

Din aceasta categorie fac parte traductoarele cu variatie de flux magnetic. Aceasta variatie, proportionala cu variatia marimii de masurat, induce la bornele unei bobine sau ale unui conductor simplu o forta electromotoare E, care poate fi modulata in frecventa sau in amplitudine.

Tabelul prezinta exemple de traductoare fara aport de energie externa.

Tab.1. Traductoare fara aport de energie externa

Traductoare cu aport de energie externa

Fie un potentiometru rotativ la care axa este antrenata de un element sensibil primar. Daca la bornele potentiometrului se aplica o tensiune fixa E, tensiunea culeasa intre o extremitate si cursorul solidar cu axa este proportionala cu marimea determinata. In aceasta situatie, se spune ca exista aport de energie externa.

Modul prin care se moduleaza semnalul depinde de circuitele de masura asociate (de exemplu modularea amplitudinii unei tensiuni alternative care alimenteaza un transformator diferential sau modularea frecventei unui circuit acordat).

In tabelul 2 se prezinta transformarile pe baza carora are loc functionarea acestor traductoare.

Tab.2 Transformari utilizate in cazul traductoarelor cu aport de energie externa

4. Traductoare cu energie modulata de catre marimea de masurat

Intr-o sonda ionica, intensitatea curentului dintr-un circuit electric este modulata de conductivitatea mediului. In acest caz, traductorul trebuie privit ca un receptor de energie. Acesta este si cazul analizelor spectrale, unde materialul este excitat cel mai frecvent cu ajutorul unei radiatii, al cristalografiei cu radiatii X sau g, etc. (fig.

Fig. 3. Modularea radiatiei prin modificarea proprietatilor de transmisie intr-un material supus actiunii unei forte sau unei deformatii

In figura 4.1 s-au notat:

S: sursa de energie radianta (emisie de energie nediferentiata: lumina, radiatii a b g etc.)

M: mediu intermediar (modulare; energie diferentiata)

R: receptor (cuplu termoelectric, camera de ionizare, etc.)

s: semnal electric purtator al informatiei.