Senzori

1. Introducere

Senzorul este definit ca fiind “un dispozitiv care detectează sau măsoară unele condiţii sau proprietăţi şi înregistrează, indică sau uneori răspunde la informaţia primită”. Astfel, senzorii au funcţia de a converti un stimul într-un semnal măsurabil, cuprinzând atât traductorul, care transformă mărimea de intrare în semnal electric util, cât şi circuite pentru adaptarea şi conversia semnalelor, şi eventual pentru prelucrarea şi evaluarea informaţiilor. Stimulii pot fi mecanici, termici, electromagnetici, acustici sau chimici la origine, în timp ce semnalul măsurabil este tipic de natură electrică, deşi pot fi folosite semnale pneumatice, hidraulice, optice sau bioelectrici.

În gestionarea proceselor industriale, deosebit de importante sunt sistemele inteligente de conducere, sisteme ce sunt bazate pe sisteme de calcul integrat sau nu.

Senzorii şi traductoarele elemente esenţiale ale sistemelor de automatizare a dispozitivelor civile şi industriale şi se bazează pe un domeniu larg de principii fizice de operare. De asemenea sunt utilizaţi şi în cazul cercetării, analizelor de laborator - senzorii şi traductoarele fiind incluse în lanţuri de măsurare complexe, care sunt conduse automat.

Exista foarte multe clasificari ale senzorilor si traductoarelor: cu sau fara contact, absoluţi sau incrementali (in functie de marimea de intrare), analogici sau digitali (în funcţie de mărimea de ieşire) etc.

Alegerea senzorilor si traductoarelor trebuie făcută ţinând cont de proprietatea de monitorizat, de domeniul în care variază aceasta, de dimensiunile ce trebuie respectate sau de geometria sistemului, de condiţii speciale de mediu sau de lucru, de tipul mărimii de ieşire şi nu în ultimul rând de cost.

Astfel pot fi identificaţi senzori de proximitate, traductoare de tip Hall, traductoare de deplasare si viteză, senzori şi traductoare de forţă, senzori de temperatură, senzori de umiditate, senzori pentru gaze, senzori de curent, switch-uri optice, senzori de presiune, cititoare de coduri de bare etc.

2. Sistemele de conducere a proceselor industriale

În cazul unui proces automatizat, conducerea sistemului se face fără intervenţia omului, pe baza informatiilor culese din proces cu ajutorul senzorilor.

Creşterea complexităţii proceselor industriale, ca şi aceea a modului de conducere a acestora, a avut drept efect distribuirea funcţională şi spaţială a funcţiilor de conducere. În structura sistemelor complexe de automatizare se regăsesc trei niveluri distincte: nivelul de monitorizare şi comandă, nivelul de conectare, şi nivelul câmpului.

Sistem de conducere a proceselor

La nivelul de monitorizare şi comandă procesul este comandat şi supravegheat. Aici este centrul automatizării unde vin toate informaţiile legate de instalaţie.

Sarcinile automatizării, cum ar fi controlul automat, decizii în probleme de complexitate sporită etc., revin sistemului de comandă, având la bază automate programabile, PC-uri sau calculatoare de proces.

La nivel de conectare se asigură alimentarea cu energie electrică a diferitelor componente de măsură, control sau acţionare.

La nivelul câmpului se găsesc senzorii şi elementele de execuţie (acuatorii). În anumite cazuri este necesar ca acestea să fie aici alimentate cu energie electrică dar, în medii periculoase, pentru a evita producerea unor explozii, alimentarea se face la nivelul de conectare. Diversitatea componentelor conectate la acest nivel este foarte mare, de la simpli senzori la subsisteme inteligente conectate în diverse structuri.

Elementele de reglare finală sunt acţionate sau comandate fie direct fie cu componente în sistem de comandă în buclă de reglare închisă.

Realizarea unor astfel de sisteme necesită soluţionarea unor probleme legate de funcţionarea dispozitivelor şi modulelor electronice în mediu industrial, pe de o parte, pe de altă parte realizarea unui sistem de comunicaţie deschis şi flexibil, având în vedere faptul că instalaţiile industriale diferă mult una faţă de alta.

Elementele componente ale structurilor de conducere distribuite din punct de vedere spaţial comunică între ele prin intermediul diferitelor sisteme de comunicaţie.

Cerinţele impuse sistemelor de comunicaţie sunt foarte variate, în funcţie de aplicaţie. În instalaţii complexe, principala cerinţă o constituie siguranţa în funcţionare. În cele mai multe cazuri, în instalaţiile complexe se generează câmpuri electrice perturbatoare. Condiţiile climatice pot să influenţeze şi ele negativ funcţionarea unor blocuri electronice. Viteza de reacţie ridică cerinţe moderate în astfel de instalaţii complexe.

3. Transmisia semnalelor

3.1. Bucla de curent - transmisia semnalelor analogice

În tehnica convenţională, o mărime fizică este preluată prin intermediul unui semnal de c.c. în gama 4-20mA. În anumite cazuri, când plaja de variaţie a acestei mărimi este foarte mare, pentru a se obţine o precizie bună a măsurătorilor trebuie folosiţi doi senzori a căror domenii de măsură se juxtapun. Folosindu-se transmisia digitală a informaţiei se poate alege o plajă de variaţie convenabilă astfel încât să nu se folosească decât un senzor cu rezoluţia dorită.

3.2. Transmisia semnalelor analogice în buclă de tensiune

În circuitul de mai jos, se observă că puntea de măsură este plasată la distanţă faţă de camera de control, însă această distanţă poate varia de la zeci de metri până la câteva mii de metri. Ieşirea punţii este amplificată direct pentru a putea obţine un semnal de nivel ridicat (0 10V) pentru transmisie. Deoarece, acţiunea mediului industrial poate fi luată în considerare ca o sursă de zgomot de înaltă impedanţă acesta induce în conductorii de legătură un zgomot de ordinul volţilor. Utilizând cabluri de legătură ecranate se reduce din factorul de zgomot dar aceste cabluri au o rezistenţă finită, ceea ce impune ca instrumentul de măsură să aibă impedanţă de intrare ridicată, pentru a împiedica atenuarea semnalului pe conductorii de legătură. Impedanţa ridicată a intrării aparatului de măsură face însă ca nivelul zgomotului indus pe cablurile de legătură să crească, ceea ce dăunează în mod evident calităţii transmisiei.

Datorită acestui fapt transmisia în buclă de tensiune poate fi utilizată doar pentru distanţe mici (~ 30m).

3.3. Transmisia semnalelor analogice în buclă de curent

Aceaste probleme se pot rezolva utilizând transmisia în curent, astfel după cum se poate observa în figura de mai jos, situaţia este diferită prin aceea că ieşirea amplificatorului comandă o sursă de curent.