RW

1

Przetworniki

czujniki

i

ich właściwości

RW

2

Przetworniki

jednowymiarowe

i wielowymiarowe

Przetwornik jednowymiarowy

SISO

(

Single Input Single Output

) -

jedno

wejście

i jedno

wyjście

.

RW

3

Przetworniki

jednowymiarowe

i wielowymiarowe

MISO

(

Multiple Input Single

Output

) – przetwornik

mierzący

kilka

wielkości

wejściowych

, celem

określenia

jednej

wielkości

wyjściowej

.

RW

4

Przetworniki

jednowymiarowe

i wielowymiarowe

MIMO

(

Multiple Input Multiple

Output

) - przetwornik o

wielu wejściach

i

wielu

wyjściach

.

Każde z

wejść

przetwornika

wielowymiarowego

jest

przetwornikiem

jednowymiarowym.

RW

5

P

Struktura przetwornika

złożonego

Przetwornik

złożony

składa

się z

blo-ków

(

struktura

wielostopniowa

), w których

występuje

przetwarzanie in-

formacji pomiarowej

(

przetwarzanie pośrednie

), a

czasem

przesył tej infor-

macji

(

tor pomiarowy

).

Elementy

przetwornika

złożonego

to

przetwornik

pierwotny

,

pośredni

i

końcowy

.

RW

6

Wyjściowy sygnał

często

wymaga prze-słania

go na

pewną

odległość

, co

tworzy

tor pomiarowy

.

Przetwornik

wtórny

x(

t)

Przetwor

nik

pierwotny

czyli

Czujni
k

Modulat

or

Koder

Przetwor

nik A/C

Nadajnik

Demodula

tor

Dekode

r

Odbiorn
ik

y(t

)

k

o

n

d

y

c

j

o

n

e

r

Przetwor

nik C/A

Przetwor

nik

wizualizu

-jący

RW

7

Przetwornik pierwotny

(

czujnik elementarny –

generacyjny

lub

parametryczny

)

pobiera

informację pomiarową

z wielko-ści

mierzonej

i

przekształca

ją na

wiel-kość

fizyczną

(

sygnał pomiarowy

)

akce-ptowalną

przez dalsze

elementy systemu

.

Czujnik

z

reguły

przetwarza

wielkość

nieelektryczną

na

elektryczny

sygnał po-miarowy.

RW

8

Przetwornik wtórny

Przetwornik wtórny

(

pośredni

)

zajmuje się

kondycjonowaniem

sygnału pomiarowego.

Odpowiednie

elementy

przetwarzają

sygnał elektryczny

(np. z

napięciowego

na

prądowy

),

wzmacniają

go,

filtrują

itp.

Przy

przesyłaniu

sygnału

blok

przetwor-nika wtórnego

zawiera

urządzenia

przesyło-we

(

modulatory

,

kodery

,

dekodery

,

przet-worniki A/C, C/A

,

nadajnik

,

odbiornik

).

RW

9

Przy

dystansach

powyżej

kilku kilometrów

stosuje się

modulację syg-nału.

Sygnał

przesyłany jest

drogą

prze-wodową

(przewód

koncentryczny

,

skrętka

,

światłowód

,

sieć

telefoniczna

) lub

bezprzewodową

–

drogą

radiową

.

RW

10

Przetwornik końcowy

Przetwornik końcowy

odpowiada za

standaryzację

i

dopasowanie

energetyczne

sygnału

do

systemu

z

którym

współpracuje

,

może także

zajmować

się

wizualizacją

wyniku

pomiaru.

RW

11

Przetwornik końcowy

c.d.

Przetwornik wizualizujący

– może to być

CPO

(

Cyfrowy Panel Od-

czytowy

) zbudowany na

diodach

świecących

lub

ciekłych

kryszta-łach

,

monitor

lub

drukarka

.

RW

12

Tor sprzężenia

zwrotnego

jako tor

pomiarowy

W

systemach sterowania

nie

stosuje

się

wizualizacji

wszystkich zmiennych stanu

,

dlatego często

sygnały

te

wpro-wadza

się

wprost

do

sterownika

po-przez

karty

wejścia

/

wyjścia

I/O

(

Input

/

Output

)

.

RW

13

Tor sprzężenia

zwrotnego

jako tor

pomiarowy

Regulat

or

Element

y

wykonawc

ze

Obie

kt

X

zadan

e

Linia

przesyłowa

Przetworni

k

wizualizują

cy

Przetworni

k

wizualizują

cy

Przetwor

nik

pierwotn

y

Y

wyjścio

we

RW

14

Tory pomiarowe

Tory pomiarowe

stosowane w

przetworni-kach

, w zależności

od

typu sygnału gene-rowanego

przez

czujnik

, można

podzielić

na:

• analogowo

–

amplitudowe

,

• analogowo

-

częstotliwościowe

,

• cyfrowe

,

RW

15

Przetwornik

z

torem

analogowo - amplitudowym

Stwarza

on

największe

trudności

we współpracy ze

sterownikiem

.

Składa się on z

przetwornika

pierwot-nego

(

czujnika

) oraz

kondycjonera

, który może

wzmacniać

,

normalizować

(prze-

kształcać

sygnał napięciowy

w

standardo-wy prądowy

),

linearyzować

,

kompensować

wpływ temperatury

itp.

RW

16

Przetwornik

z

torem

analogowo –

amplitudowym

Najczęściej

sygnałem

wyjściowym

jest

napięcie

0 ÷

10 V

lub

sygnał prądowy

0 ÷ 20 mA

lub

4 ÷ 20 mA.

Ciągła

zmien

na

stanu

Ciągły

sygnał

elektryczn

y

Przetworni

k

pierwotny

Kondycjon

er

x

u,

i

x

u,

i u,

i

u, i

RW

17

Przetworniki

analogowo

–

częstotliwościowe

i

analogowo

- cyfrowe

Przetworniki

analogowo -

częstotliwo-ściowe

(

a/c

) mogą

być typu

bezpośredniego

i

pośredniego

.

Sygnały wyjściowe

z

przetwornika

a/c

można

bezpośrednio

wyprowadzić

do

stero-wnika

gdzie,

podawany

jest do

licznika

,

któ-ry zlicza

impulsy

w

określonym

przedziale czasu

generowanym

przez

podstawę

czasu

.

RW

18

Sygnał o

zmiennej

częstotliwości

Ciągła

zmienna

stanu

f

f

x

x

Przetwornik

bezpośredni

z

torem

analogowo -

częstotliwościowym

Liczba

tych

impulsów

w

prze-dziale

czasu

jest

miarą

sygnału wejściowego

.

RW

19

x

Ciągła

zmienna

stanu

x

d

Wektor

informacji

cyfrowej

Przetwornik bezpośredni

z

torem  cyfrowym

Przetworniki cyfrowe

np.

tarcze kodowe

pozwalają

uzyskać wprost wektor

informacji cyfrowej

.

RW

20

Przetwornik pośredni z

torem

analogowo -

częstotliwościowym

Przetwornik

analogowo-

amplitudowy

Przetwornik

napięcie/prąd

na częstotliwość

f

u,

i

x

u,

i

x

f

RW

21

Przetwornik pośredni z

torem

analogowo - cyfrowym

Przetwornik

analogowo-

amplitudowy

u, i

x

A(u,

i)

x

C(d

)

Przetwornik

analogowo-

cyfrowy

Wektor

informacji

cyfrowej

RW

22

Elektryczne metody

pomiarowe

Współczesne

miernictwo

cechuje

powszechne stosowanie

elektrycznych

metod

pomiarowych.

Dotyczy to

pomiaru

prawie

wszystkich wielkości

fizycznych

i

chemicznych

.

RW

23

Zalety elektrycznych

metod pomiarowych

• duża

dokładność

i

czułość

,

• możliwość

stosowania

tej samej

aparatury

dla

szerokiego

zakresu

i dla

różnorodnych

wielkości

fizycznych

,

• szeroki

zakres

częstotliwościowy

0  f 

f

max

RW

24

Zalety elektrycznych

metod pomiarowych

• możliwość

automatyzacji

pomiarów

i

przekazywania

wyników

na

odległość,

• możliwość

operacji

matematycz- nych

(

automatyczne

uwzględnianie

poprawek

,

sumowanie

,

różniczkowa-nie

i

całkowanie

sygnałów

).

RW

25

Wymagania dla

przetworników

analogowych

W

układach pomiarowych

od

przet-worników

analogowych

wymaga się

przede wszystkim:

• dużej

liniowości funkcji

przetwarzania

,

• dużej

czułości pomiarowej

,

• pomijalnie

małego wpływu

parametrów zakłócających

,

RW

26

Wymagania dla

przetworników

cyfrowych

W

układach pomiarowych

gdy

przy-rządy pomiarowe

zawierają

bloki cyfrowe-go

przetwarzania

sygnałów

od

przetwor-ników cyfrowych

wymaga się

nastę-pujących

parametrów

:

• dużej

stabilności

w czasie

funkcji przetwarzania,

RW

27

• dużej

powtarzalności

parametrów

pomiędzy

czujnikami

w jednej serii

produkcyjnej

i pomiędzy

seriami

pro-dukcyjnymi

,

• czujnik

powinien mieć

sygnał

wyj- ściowy

w postaci

cyfrowej

,

• powinien

być

wyposażony

w

stan- dardowy interfejs

,

RW

28

• komunikacja

z

zewnętrznym

systemem komputerowym

powinna się odbywać w
oparciu o

standardowy

protokół

(co wynika z

powszechności

stosowania

komputerowych systemów

pomiarowych

).

Spełnienie

tych

postulatów

(przy zacho-waniu

miniaturowych

wymiarów

i

niskich

kosztów

wytwarzania

)

jest możliwe przy zastosowaniu

technologii

półprzewodniko-wej

(

“mikromechanika w krzemie”

).

RW

29

A

element

czujniko

wy

Mechanicz

ny

Elektrycz

ny

Optyczny

Itp.

Sygnał

wyjściowy

Sensor

el.

cz

elektryc

zny

sygnał

analogo

wy

kond

y

cjon

er

B

B.

Sygnał wyjściowy

z

przetwornika

pierwotnego

jest

przetworzony

za

pośrednictwem

kondycjone-ra

na

sygnał

elektryczny

(zwykle

standardowy

),

A.

Mierzony sygnał

jest

przetworzony

na

dowolną

wielkość pomocniczą

odczytaną

przez

człowieka

lub

wykorzystaną

w

procesie

sterowania

.

Rozwój

przetworników

RW

30

System

wyższe

go

poziom

u

Zdecentralizo

wane

przetwarzanie

c

a

D

el.

cz

E

F

Pr.

Cf.

Pro

c.

Cyfr

.

C

sygn

ał

cyfro

-wy

a

c

el.

cz

C.

Dodatkowo

współ-pracujący

przetwornik a/c

przekształca stan-

dardowy sygnał

elektry-czny na

postać cyfrową

D.

Przetwornik

pier-wotny i

kondycjoner

stanowią jedną

całość

E.

Przetwornik

pier-wotny

zintegrowany

wraz z

kondycjone-rem

i przetwornikiem

a/c

, pierwszy

krok w kierunku

inteligen-tnych

przetworników

pomiarowych

IPP

F.

Typowy

inteligentny

przetwornik

pomiarowy

RW

31

Przetworniki wielowymiarowe

Autonomiczne maszyny

i

roboty

wy-magają określenia

zmiennych

stanu

w

przestrzeni

takich jak

położenie

,

pręd-kość

,

przyśpieszenie

.

Nowe technologie

wymagają

opracowania przetworników

zminiaturyzowanych

(np.

czujnik

ciśnienia

o rozmiarach

ułamka

milimetra

).

RW

32

Przetworniki
wielowymiarow

e

(

cd

)

Przetworniki

te

charakteryzują

się

wy-soką

niezawodnością

(niejednokrotnie są

samonaprawialne

) i

wysoką

klasą dokła-dności

.

Poprawę

klasy

dokładności

można

uzyskać

przez

zmniejszenie wpływu

głów-nych zakłóceń

.

W tym celu

mierzy

się

równocześnie

kil-ka

wielkości

wejściowych

.

RW

33

Współpraca przetwornika z

systemem

Przetwor

nik

inteligent

ny

Komputer

System

pomiarow

y

Protokół

komunikacyj

ny

Inteligencja przetwornika

jest

wynikiem implementacji

mikrokontrolera

(

sterow-nika

mikroprocesorowego

)

wyposażonego w odpowiednie

oprogramowanie

.

RW

34

Przetwarzanie wielkości

mierzonej

Jest to

podstawowa

funkcja

,

jaką speł-nia każdy

czujnik

.

Przetwarza

on

mierzony

parametr

na

sygnał

pomiarowy

(z reguły

elektryczny

). W

zależności od

charakteru

wielkości mierzonej

przetworniki

mogą mieć

budowę

zarówno

prostą

jak i bardzo

złożoną

(np.

czujniki obecności gazów

).

BODZIEC

ZEWNĘTRZNY

CZUJNIK

SYGNAŁ

WYJŚCIOWY

RW

35

Kompensacja wpływu

otoczenia

Przetwornik

, prócz

wielkości

mierzonej

,

uwzględ-nia zakłócenia

pojawiające się

na wejściu

.

Sygnał

pomiarowy

jest

skorygowany

i

dopasowany

do

sy-stemu

, co

odciąża

jednostkę centralną

z pewnego

ciężaru obliczeniowego

.

Kompensacja

wpływu

temperatury

i

pola magnetycznego

są

najpowsze-

chniej

stosowanymi

funkcjami

i

powodują umiej-scowienie

czujnika

na

drugim poziomie rozwoju.

SYGNAŁ

WYJŚCIOWY

odporny na zakłócenia

elektromagnetyczne

i zmiany środowiska

BODZIEC

ZEWNĘTRZNY

CZUJNI

K

KOMPENSACJ

A

ZAKŁÓCEŃ

+

RW

36

Komunikacja

Przetwornik komunikuje

się w sposób

akceptowaln

y i

zrozumiały

dla

systemu

bez konieczno

ści używania urządzeń

pośredniczących w

transmisji.

• Przetwarzanie

sygnału

z

analogowego

na

cyfrowy

- sposób

prymitywny

,

komunikacja

w

jednym kierunku

.

• Komunikacja

za pomocą

odpowiednich

protokołów systemowych

lub

adresowaniu

czujników

–

otrzymy-wanie

i

wysyłanie

sygnałów

.

SYGNAŁ

WYJŚCIOWY

odporny

na

zakłócenia

zewnętrzne

komunikacja

BODZIEC

ZEWNĘTRZNY

CZUJNIK

KOMPENSACJ

A

ZAKŁÓCEŃ

+

KOMUN

I

KACJA

+



RW

37

Autodiagnost

yka

Zdolność autodiagnostyki

posiadają

przetworniki

na

czwartym

poziomie

złożoności

.

Przetwornik

może

informować

system

–

sam

lub w

mo-mencie

odpytania

– że

ma

pewne

problemy

w

działaniu

.

Przetwornik

może

generować sygnał

wyjściowy

informu-jący

system

lub

operatora

o

uszkodzeniu

. Szczególne waż-

ne jest to w

przypadku

systemów

z

wieloma

czujnikami

.

SYGNAŁ

WYJŚCIOWY

odporny na

zakłócenia

zewnętrzne

komunikacja

sygnalizacja

uszko-

uszkodzeń

czujnika

CZUJ

NIK

KOMPEN-

SACJA

ZAKŁÓCEŃ

+

KOMUN

I

KACJA

+



DIASGN

OSTYKA

+

BODZIE

C

ZEWNĘ-

TRZNY



RW

38

Syg

n ał

wyjś

ciow

y

Sygnał wyjściowy

odporny na zakłócenia

zewnętrzne

CZUJ

NIK

KOMPEN-

SACJA

ZAKŁÓCEŃ

+

KOMUN

I

KACJA

+

•Komunikacja



•Sygnalizacja uszkodzodzeń

czujnika

•Bezpośrednie wykonywanie

operacji

DIASGN

OSTYKA

+

BODZIE

C

ZEWNĘ-

TRZNY

LOGIKA

STEROW

ANIE

+

Logika / Sterowanie

Dodanie do

struktury

przet-wornika

układów

logicznych

i

sterujących

(

mikrokontrolera

) powo-duje,

że

sensor

decyduje

jakie czyn-

ności i w jakiej

kolejności

wykonuje.

RW

39

Budowa prostą

-

fotoelektryczny

czujnik

z

wbudowaną

kartą logiczną

.

Budowa

bardziej

złożona

-

przetwornik wizyjny

mający

zdolność

porównywania

obrazów

zapisanych

w

pamięci

z

aktualnie

obserwowanym

w

celu

odróżnienia

elementów

dobrych

od

złych

. .

RW

40

Przetwornik
inteligentny

Przetworniki

posiadające

wszystkie

wymienione

zdolności

należą do

grupy przetworników

inteligentnych.