Badanie przetworników

Wiadomości wprowadzające

Najważniejszym czynnikiem umożliwiającym komunikację pomiędzy sektorami jest informacja. Swobodny i dostatecznie szybki przepływ informacji zapewnia wiedzę o istniejącym stanie rzeczy, umożliwia szybką reakcję na zachodzące zmiany. Nośnikiem informacji jest sygnał. Aby informacja zawarta w sygnale wytwarzanym przez jeden emiter mogła być odczytana i zrozumiała dla drugiego, czasami sygnał musi być przetworzony z pierwotnego na inny. W tym celu stosowane są przetworniki.

Przetwornik jest to urządzenie umożliwiające przetworzenie jednej wielkości na inną, przy czym, przetworzenie wielkości zbieranej z wyjścia przetwornika względem podawanej na wejście musi być jednoznaczne. W automatyzacji procesu kluczową rolę oprócz regulatora odpowiedzialnego za sterowanie danym procesem odgrywa przetwornik. Przetwornik jest elementem zapewniającym komunikację pomiędzy regulatorem a czujnikiem dającym niezbędne informacje o stanie procesu oraz regulatorem a urządzeniem wykonawczym, za pomocą którego regulator oddziałuje na regulowany proces.

Ze względu na przetwarzanie przetworniki możemy podzielić na:

• analogowo-analogowe (A/A)- przetwarzające analogowy sygnał analogowy podawany na wejście na sygnał analogowy

• pneumo-elektryczne (P/E) - przetwarzające sygnał pneumatyczny na sygnał elektryczny

• elektro-pneumatyczne (E/P) - przetwarzające sygnał elektryczny na odpowiadający mu sygnał pneumatyczny

• analogowo-cyfrowe (A/C) - przetwarzające sygnał analogowy na cyfrowy

• cyfrowo-analogowe (C/A) - przetwarzające sygnał cyfrowy na analogowy

• przetworniki dedykowane - przystosowane do pracy z określonym urządzeniami

Możliwość współpracy i komunikacji przetworników z regulatorami, urządzeniami pomiarowymi, urządzeniami wykonawczymi (nastawczymi) i innymi przetwornikami zapewniają standardowe zakresy sygnałów wejściowych i wyjściowych.

Jako sygnał analogowy należy rozumieć sygnał w postaci napięcia, prądu bądź ciśnienia sprężonego gazu np.: powietrza. Sygnał cyfrowy zapisywany jest w postaci dwójkowej lub kodu BCD.

Ze względu na zakres przetwarzanego sygnału przetworniki możemy podzielić na unipolarne i bipolarne.

Przetworniki unipolarne umożliwiają przetworzenie sygnału ≥0. Przetworniki bipolarne umożliwiają przetwarzanie sygnału również z zakresu ≤ 0. Są one wykorzystywane głównie przy pomiarze temperatury (ujemne temperatury).

Standardowe zakresy pomiarowe dla wejść i wyjść analogowych przetworników unipolarnych wynoszą:

• dla sygnałów prądowych: 0 - 5 [mA], 0 -10 [mA], 0 - 20 [mA], 1 - 5[mA], 2 - 10 [mA], 4 - 20 [mA],

• dla sygnałów napięciowych 0 - 10 [mV], 0 - 50 [mV], 0 - 100 [mV], 0 - 1 [V], 0 - 5 [V], 0 - 10 [V], 1 - 5 [V], 2 - 10 [V], 4 - 20 [V]

• W przypadków przetworników bipolarnych standardowy zakres sygnałów wejściowych:

• prądowych: -5 - +5 [mA],

• napięciowych : -10 - +10 [V],.

Przetworniki A/A stosowane są głównie do komunikacji regulatora z urządzeniem wykonawczym, za pomocą którego regulator oddziałuje na dany proces. Przetwornikami A/A nazywane są zazwyczaj „regulatorami mocy”. Zmieniając sygnał wejściowy w postaci prądu napięcia lub stałego np.: w zakresie =U= 0-10[V] DC, umożliwiają płynną regulację napięciem przemiennym w zakresie np.:~U= 0-230[V] AC.

Przetworniki elektropneumatyczne i pneumoelektryczne są przeznaczone np. do współpracy z coraz rzadziej stosowanymi pneumatycznymi regulatorami analogowymi. Stosowane są także w procesach przemysłowych, gdzie używane są elementy pneumatyczne (np. węzły ciepłownicze) oraz w strefach zagrożonych wybuchem. Służą one do zamiany ciśnienia z zakresu 20-100[kPa] na wielkości elektryczne - najczęściej prąd z zakresu 4-20 [mA], lub wielkości elektrycznych na ciśnienie powietrza.

Do współpracy z regulatorami cyfrowymi przeznaczone są elektroniczne przetworniki A/C i C/A. Najczęściej są one wbudowane w wewnętrzną architekturę regulatora lub mogą być dołączane w postaci modułów. Przetworniki (A/C) zamieniają sygnał analogowy w postaci napięcia lub prądu na sygnał cyfrowy zrozumiały dla elektronicznego regulatora zapisany w postaci systemu dwójkowego lub kodu BCD. Umożliwiają one dostarczanie do regulatora informacji o stanie regulowanego procesu z analogowych czujników pomiarowych.

Przetworniki (C/A) służą do zamiany sygnału nastawczego regulatora zapisanego w postaci systemu dwójkowego lub kodu BCD na sygnał analogowy podawany do układu sterowania urządzenia wykonawczego np. silnika, pompy, grzałki czy przesłony. W wielu przypadkach konieczne jest tu jeszcze użycie dodatkowego przetwornika (A/A) zapewniającego właściwe sterowanie urządzenia wykonawczego.

Dla dobrego zrozumienia zasady działania przetworników A/C i C/A warto zapoznać się z konwersją pomiędzy wykorzystywanymi w przetwornikach systemami liczbowymi.

Przetwornik analogowo - cyfrowy A/C

Przetworniki analogowo - cyfrowe(A/C) przetwarzają sygnał analogowy w postaci prądu lub napięcia na sygnał cyfrowy (dyskretny). Sygnał analogowy podawany na wejście przetwornika jest ciągły w czasie. W celu przetworzenia na zapis cyfrowy jest on próbkowany, kwantowany i podawany na wyjście przetwornika najczęściej w postaci kodu dwójkowego rzadziej w postaci kodu BCD.

Na wyjściu przetwornika pojawia się zatem liczba zapisana w kodzie dwójkowym, która jest proporcjonalna do sygnału analogowego podawanego na wejście przetwornika według zależności:

(3)

Gdzie:

UI_we - napięcie bądź prąd wejściowy

UI_odn - napięcie bądź prąd odniesienia

a₁ - a_n - bity wyjściowe przyjmujące wartość 0 bądź 1

Najważniejszymi parametrami przetwornika analogowo cyfrowego jest:

• częstotliwość próbkowania,

• czas konwersji (przetwarzania),

• rozdzielczość

• błąd kwantyzacji.

Częstotliwość próbkowania określa okres (przedział czasu) po upływie którego sprawdzana jest wartość analogowego sygnału wejściowego zamienianego na ciąg liczb. Mianem częstotliwości próbkowania można określić odwrotność różnicy czasu pomiędzy dwoma kolejnymi próbkami.

Czas konwersji (przetwarzania) jest to czas, w którym analogowy sygnał podawany na wejście przetwornika zostanie zamieniony na ciąg liczbowy (sygnał dyskretny) i podany na wyjście przetwornika. Określany jest zazwyczaj za pomocą charakterystyki dynamicznej i definiowany jako:

• czas przetwarzania - czas, w którym zachodzi cały cykl przetwarzania,

• częstotliwość konwersji - definiowana jako odwrotność czasu przetwarzania,

• szybkość bitowa - liczba bitów przetwarzanych w jednostce czasu.

Rozdzielczość jest to najmniejsza zmiana sygnału wyjściowego przy zmianie sygnału na wejściu. Rozdzielczość definiowana jest za pomocą zależności

(4)

gdzie:

ΔUI - rozdzielczość przetwornika

UIodn - napięcie bądź prąd odniesienia (zakres sygnału wejściowego = UI_g - UI_d)

n - liczba bitów przetwornika

Na rysunku 1 przedstawiono przykładową charakterystykę statyczną odwzorowującą sygnał analogowy przetworzony na cyfrowy za pomocą najprostszego - trzy bitowego przetwornika o napięciu odniesienia 8[V]. Widać wyraźnie, że idealna charakterystyka znacznie różni się od charakterystyki rzeczywistej. Rzeczywisty przebieg posiada schodki zwane kwantami.

Rysunek.1 Charakterystyka przetwornika A/C

Obliczając z zależności (4) rozdzielczość analizowanego przetwornika otrzymamy

Zatem rozdzielczość tego przetwornika wynosi 1. Czyli zmieniając wartość napięcia wejściowego o 1 V sygnał wyjściowy zmieni się o 1.

W przetworniku A/C mogą wystąpić następujące błędy związane z przetwarzaniem sygnału:

• nieliniowość całkowa - definiowana jest jako maksymalne odchylenie rzeczywistej charakterystyki od charakterystyki idealnej przechodzącej przez środki kwantów odpowiadającym kolejnym przedziałom sygnału cyfrowego; występuje gdy nie można poprowadzić przez środki kwantów „schodków” linii prostej; skutkuje utratą danych,

• nieliniowość różniczkowa - definiowana jako różnica pomiędzy kolejnymi (sąsiednimi) wartościami analogowego sygnału podawanego na wejście przetwornik, który powoduje zmianę sygnału wyjściowego (słowa wyjściowego) o najmniej znaczący bit LSB,

• błąd zera - przesunięcie charakterystyki rzeczywistej względem idealnej przechodzącej przez zero opisanej zależnością y=ax, charakterystyka rzeczywista opisana jest zależnością y=ax+b,

• błąd skali (wzmocnienia) - zmiana kąta nachylenia charakterystyki; skutkuje zmniejszeniem (zwężeniem się) zakresu wejściowego lub wyjściowego.

Przetwornik cyfrowo - analogowy (C/A)

Przetwornik cyfrowo - analogowy działa w odwrotny sposób do przetwornika A/C. Przetwornik cyfrowo - analogowy (C/A) zamienia sygnał dyskretny w postaci kodu dwójkowego podawany na jego wejście na sygnał analogowy w postaci napięcia bądź prądu. Inaczej mówiąc na wejście przetwornika podawany jest ciąg liczb w kodzie dwójkowym lub BCD zapisanych w postaci „n” bitowego słowa. Przetwornik konwertuje słowo bitowe na sygnał analogowy podawany na wyjście; sygnał powinien być proporcjonalny do sygnału cyfrowego podawanego na wejście.

Wartość sygnału wyjściowego można obliczyć z zależności:

(3)

Gdzie:

UI_we - napięcie bądź prąd wyjściowy

UI_odn - napięcie bądź prąd odniesienia

a₁ - a_n - bity wyjściowe przyjmujące wartość 0 bądź 1

Na rysunku 2 przedstawiona została idealna i rzeczywista charakterystyka przetwornika cyfrowo analogowego o napięciu odniesienia 8V. Podobnie jak w przypadku przetwornika A/C, idealna (liniowa) charakterystyka przetwornika C/A różni się od rzeczywistej.

Głównymi parametrami przetwornika C/A są: rozdzielczość, błąd bezwzględny i błąd względny.

Rozdzielczość podobnie jak w przypadku przetwornika A/C dla przetwornika C/A można wyznaczyć z zależności:

(4)

gdzie:

ΔUI - rozdzielczość przetwornika

UI_odn - napięcie lub prąd odniesienia

n - liczba bitów przetwornika

Błąd bezwzględny - określany jest jako największa różnica między mierzonym sygnałem wyjściowym, a obliczonym ze wzoru 4. Błąd względny określany jest jako stosunek błędu bezwzględnego do wartości napięcia odniesienia.

Rysunek 2. Charakterystyka przetwornika C/A

Obliczając w podobny sposób jak dla przetwornika A/C rozdzielczość analizowanego przetwornika C/A otrzymamy

Zatem rozdzielczość tego przetwornika wynosi 1. Czyli zmieniając sygnał wejściowy o jedną jednostkę wewnętrzną otrzymamy zmianę napięcia wyjściowego o 1V.

W przypadku przetwornika C/A mogą wystąpić podobnie jak w przypadku przetwornika A/C następujące błędy:

• nieliniowość całkowa lub niemonotoniczność- definiowane jest jako maksymalne odchylenie rzeczywistej charakterystyki od charakterystyki idealnej przechodzącej przez czubki kwantów odpowiadającym kolejnym przedziałom sygnału cyfrowego; występuje gdy nie można poprowadzić przez czubki kwantów „schodków” linii prostej; skutkuje utratą danych; w przypadk gdy występuje nieliniowość niemonotoniczność nie występuje i na odwrót,

• błąd zera - przesunięcie charakterystyki rzeczywistej względem idealnej przechodzącej przez zero opisanej zależnością y=ax; charakterystyka rzeczywista opisana jest zależnością y=ax+b,

• błąd skali (wzmocnienia) - zmiana kąta nachylenia charakterystyki; skutkuje zmniejszeniem (zwężeniem się) zakresu wejściowego lub wyjściowego.

W praktyce najczęściej spotyka się przetworniki 12 bitowe (11 bitów plus znak) i 16 bitowe (15 bitów plus znak) lub 24 bitowe (23 bity plus znak) . W takich przetwornikach można rozszerzyć zakres sygnału wejściowego, tak aby zmiana sygnału wyjściowego następowała po zmianie sygnału wejściowego np.: co 8 jednostek wewnętrznych.

Przeanalizujmy zatem taki przypadek dla przetwornika 16 bitowego. Aby uzyskać zmianę sygnału wyjściowego o jeden kwant przy zmianie sygnału wejściowego co 8 jednostek pierwsze 3 bity z prawej strony przetwornika musza mieć zawsze wartość „0”. Wartości kolejnych 12 bitów (od 3 do 14) przyjmują wartość 0 lub 1 w zależności od liczby wprowadzanej na wejście. Bit 16 zarezerwowany jest dla znaku.

Maksymalna wartość dla 12 bitów ma w systemie dziesiętnym wartość 4095,co odpowiada 4095 stanom kwantyzacji, a ponieważ badany przetwornik wykorzystuje 16 bitów co odpowiada w kodzie dziesiętnym liczbie 32767, tak więc 8 jednostek wewnętrznych odpowiada 1 kwantowi napięcia wyjściowego. Obliczając zatem liczbę jednostek wejściowych po których uzyskamy zmianę sygnału wyjściowego o jedną jednostkę otrzymamy

A więc sygnał wyjściowy zmieni się dopiero o 1 kwant napięcia (skok) o gdy sygnał wejściowy zmieni się o 8 jednostek. Obliczmy zatem rozdzielczość 12 bitowego przetwornika, dla którego napięcie odniesienia wynosi 5V. Obliczona ze wzoru 4 rozdzielczość przetwornika wynosi

Zmieniając sygnał wejściowy o 8 jednostek otrzymamy zmianę sygnału wyjściowego o jeden kwant czyli o 1,25 mV.

Rysunek 3. Charakterystyka przetwornika C/A - 12 bitów

Przetworniki dedykowane

W praktyce stosowane są także elektroniczne przetworniki (A/C) przeznaczone do współpracy z konkretnymi urządzeniami np.: z czujnikami temperatury. Przetworniki takie przystosowane są wyłącznie do określonego typu czujnika. Przetwornik przystosowany do pracy z termoparą nie może być zastosowany do pracy z czujnikiem Pt100, gdyż w przypadku Pt100 zmiana temperatury objawia się zmianą rezystancji czujnika, a nie zmianą napięcia jak to ma miejsce w przypadku termopary. Zazwyczaj taki przetwornik jest fabrycznie wyskalowany i umożliwia bezpośredni odczyt temperatury np.: w °C.

Instrukcja szczegółowa

Celem ćwiczenia jest poznanie elektronicznych przetworników.

1. Badanie przetwornika cyfrowego - analogowo (C/A)

Korzystając z panelu dotykowego należy wprowadzać na wejście przetwornika sygnał z zakresu 0-32000 (pełen zakres wejściowy) z krokiem podanym przez prowadzącego. Z panelu dotykowego należy odczytać wartość sygnału wyjściowego przetwornika (napięcie) obliczone algebraicznie, oraz rzeczywistą wartość napięcia odczytaną z miernika. Wyniki zanotować w tabeli 3.

Tabela 3.

Lp.	sygnał wejściowy (SW)	obliczone napięcie wyjściowe (ONW) [V]	mierzone napięcie wyjściowe (MNW) [V]
1.

Na podstawie dokonanych pomiarów należy narysować charakterystykę przetwornika.

2. Badanie dedykowanego przetwornika analogowo-cyfrowego

Badany przetwornik jest dedykowany do współpracy z termorezystorami Pt100 (RTD= Resistance Temperature Detector).

Umieścić czujniki w naczyniu, uruchomić termometr wzorcowy i włączyć grzałkę. Na panelu dotykowym śledzić zmiany wartości sygnału otrzymywanego z modułu dla obu czujników, oraz zmiany temperatury. Odczytywane wyniki notować w tabeli 4 z okresem odczytu podanym przez prowadzącego

Tabela 4.

Lp.	sygnał dla czujnika 1 (SC1)	sygnał dla czujnika 2 (SC2)	T1 [°C]	T2 [°C]
1.

Na podstawie otrzymanych wyników sporządzić wykres:

1. SC1 = f (T₁)

2. SC2 = f (T₂)

3. Badanie regulatora mocy

Badany regulator mocy umożliwia zmianę sygnału wyjściowego w postaci napięcia przemiennego w zakresie 0-230[V], przy zmianie sygnału wejściowego 0-10[V] napięcia stałego. Można to określić jako sterowanie mocą na wyjściu przetwornika.

Na wejście regulatora mocy podawać napięcie stałe z zakresu 0-10[V] z krokiem podanym przez prowadzącego. Z panelu dotykowego odczytywać algebraicznie obliczoną wartość wyjściową napięcia oraz z miernika odczytywać rzeczywistą wartość napięcia wyjściowego. Wyniki pomiarów zanotować w tabeli 5.

Tabela 5.

Lp.	Napięcie wejściowe (Uwe) [V]	obliczone napięcie wyjściowe (ONW) [V]	mierzone napięcie wyjściowe (MNW) [V]
1.

Na podstawie otrzymanych wyników narysować charakterystykę:

1. ONW = f (U_we)

2. MNP = f (U_we)

Opracowanie sprawozdania

Sprawozdanie powinno zawierać:

1. Wyniki pomiarów

2. Sporządzone charakterystyki

3. Wnioski

8

---