2. 1.1. INTRODUCERE
1.1.1. Scurt istoric
• Măsurarea a permis omului să avanseze pe calea
cunoaşterii, fiind principalul criteriu de verificare a
ipotezelor sale.
• Dezvoltarea măsurărilor şi dezvoltarea diferitelor ştiinţe
şi tehnologii, s-au stimulat reciproc în beneficiul
progresului şi civilizaţiei.
• Măsurările au coborât din laboratoare şi standuri de
încercări in liniile de fabricaţie, jucând un rol activ in
productie
3. • Măsurările au preluat sarcini multiple în domeniul
industrial:
- controlul calităţii produselor finite,
-controlul parametrilor de funcţionare ai instalaţiilor
industriale,
-optimizarea funcţionării unui ansamblu industrial,
-creşterea securităţii în funcţionare a instalaţiilor.
• Măsurările condiţionează dezvoltarea noilor tehnologii.
-dezvoltarea nano tehnologiilor este in mare parte
conditionata de dezvoltarea mijloacelor de masurare
4. • Progresele in domeniile electronicii si informaticii au
condus si la dezvoltarea impresionanta a masurarilor. Au
aparut:
- aparatele numerice cu micropocesor,
- sistemele de achizitii de date,
- instrumentatia personala,
- instrumentatia virtuala,
- senzori inteligenti,
- structuri inteligente,
- echipamente inteligente,
- sisteme distribuite de masurare,
- software specializat pentru măsurări.
5. Progresele din domeniul telecomunicaţiilor reflectate
în domeniul măsurărilor
• Aparitia magistralelor inteligente a condus la
posibilitatea realizării de sisteme distribuite de
măsurare,
• Utilizarea fibrelor optice a condus la realizarea de
senzori cu fibre optice,
• Dezvoltarea Internetului a permis comanda şi
supravegherea de la distanţe mari a sistemelor de
măsurare.
6. 1.1.2. Lanţuri de măsurare analogice şi numerice
O măsurare pe cale analogică presupune că semnalul
metrologic depinde de mărimea de măsurat printr-o
funcţie continuă.
Fig.1.1. Lanţ de măsurare şi reglare analogic
7. Se disting:
• captorul sau senzorul,
• condiţionerul semnalului,
• convertoare de prelucrare,
• convertoare de ieşire.
Exemplu practic
Fig.1.2. Lanţ de măsurare şi reglare (în buclă închisă) pentru cuptoare.
8. Lanţurile de măsurare numerice se caracterizează
prin:
• Conversia semnalului analogic într-un semnal numeric,
• Semnalul numeric este format dintr-un şir discret de
numere stabilind o relaţie discontinuă cu mărimea
măsurată,
• Prelucrarea semnalului metrologic (numeric) se face de
către un calculator numeric (μP) pe baza unui program,
• Reconstituirea semnalului analogic, sau comanda unui
dispozitiv analogic, necesita o conversie numeric-
analogică,
• Conversiile analog numerică şi numeric analogică
introduc în mod inerent erori de conversie.
9. Fig.1.3. Lanţ de măsurare şi reglare numerică în buclă închisă.
Se disting elementele specifice:
•E/M - ciruitul de eşantionare şi memorare,
•CAN - convertorul analog numeric,
•calculatorul cu programul asociat,
•CAN - convertorul numeric analogic
•filtru pentru netezirea semnalului analogic reconstituit.
10. Exemplu practic
Fig.1.4. Schema funcţională a unui lanţ de măsurare şi reglare numerică pentru
menţinerea temperaturii în limite normale în silozuri de cereale.
•Partea analogică:
- senzorul - termorezistenţă sau termistor
- condiţionerul - punte plus amplifiator sau oscilator,
- comanda ventilaţiei
•Partea numerică:
- E&M şi CAN,
- μP şi CNA
11. 1.1.3. Funcţiile μP şi microcalculatoarelor în
sistemele de măsurare
♦gestiunea dinamică a semnalelor provenind de la
mai multe canale, după un algoritm stabilit;
♦acţiuni retroactive de toate felurile;
♦supravegherea unor parametri şi declanşarea unor
alarme ierarhizate sau a unor comenzi;
♦trimiterea rezultatelor pe o reţea telefonică sau
informatică;
♦extragerea unor semnale prin autocorelaţie,
intercorelaţie, filtraje numerice;
♦analiza în frecvenţă a semnalelor prin transformata
Fourier rapidă (FFT);
♦analize statistice; teste parametrice;
♦prezentarea grafică a rezultatelor.
12. 1.2. ARHITECTURA SISTEMELOR NUMERICE
DE MĂSURARE
1.2.1. Rolul multiplexării în sistemele de
măsurare
• calculatorul nu prelucrează în principiu decât un semnal
şi, de aceea, este necesar să fie conectat succesiv, la
fiecare canal de măsură
• rezultatele furnizate de calculator în mod secvenţial, pe
aceeaşi ieşire, trebuie dirijate spre utilizatori
• aceste functii sunt realizate de multiplexor (MUX) si
demultiplexor (DEMUX)
• MUX este o baterie de comutatoare analogice cu ieşirile
legate împreună, numărul de comutatoare determinând
numărul de canale de intrare.
13. •comanda închiderii şi deschiderii comutatoarelor este
efectuată printr-o intrare de selectare a canalului, care este o
intrare logică, conţinând unul sau mai mulţi biţi.
•adresarea poate fi făcută fie secvenţial, fie aleatoriu; in
ultimul caz, rolul de programator îl poate avea numai PC-ul,
•dacă unele din mărimile de măsurat prezintă variaţii mai
rapide, este posibil prin program să fie conectate mai des
decât altele cu variaţie mai lentă,
•DEMUX are structura similara, cu o intrare si mai multe
iesiri prin care sunt dirijate rezultate ale masurarilor si
comenzi la diferiti utilizatori.
14. 1.2.2. Arhitectura unui sistem de măsurare cu
calculator de proces
Fig.1.5. Sisteme de măsurare şi achiziţii de date cu calculator de
proces.
15. • Semnalele de măsurare sunt obţinute de la senzori sau
traductoare,
• conditionerele aduc semnalele la un nivel standard de tensiune
- 2,5 V, 5 V, 10 V,
• MUX le comută pe rând, conform programului, la intrarea
circuitului de eşantionare şi memorare E&M,
• E&M realizeaza esantionarea semnalelor analogice pentru a fi
convertite numeric,
• convertorul analog-numeric (CAN) relizeaza conversia
semnalelor analogice in semnale numerice.
• unitatea centrală (UC) prelucrează numeric aceste semnale,
conform programului implementat în memoria de bază (HDD),
unde sunt transferate şi rezultatele finale.
• pentru prelucrările numerice curente, este disponibilă şi o
memorie de lucru (RAM) mai rapidă.
16. • pentru comenzi şi controlul proceselor, este utilizat un DEMUX
care dirijează informaţiile spre utilizatorii digitali sau analogici.
• CAN realizeaza conversia numeric analogica pentru utilizatorii
ce primesc numai semnale analogice.
• pentru implementarea şi modificarea programelor, este
prevăzută posibilitatea conectării, permanente sau ocazionale, a
unei tastaturi şi a unui display.
• de asemenea, pot fi conectate, opţional, o imprimantă pentru
tipăriri de documente şi un MODEM pentru transmisii la
distanţă.
• astfel de arhitecturi cu calculator de proces sunt curent utilizate
în aplicaţii industriale, la linii tehnologice sau de prelucrare, la
centralele electrice etc.
• când sistemul de măsurare este conceput şi proiectat să
monitorizeze un anumit proces, este implementat şi realizat o
dată cu acesta şi este optimizat în funcţie de cerinţele tehnice ale
acestuia.
17. 1.2.3. Arhitectura sistemelor de măsurare formate din
aparate conectate prin BUS
• În cazul utilizării unor aparate individuale care au
interfaţă specializată pentru calculator, conformă cu un
anumit standard, se poate realiza un sistem de măsurare
prin cuplarea prin BUS a aparatelor la calculator. GPIB
sau USB.
Fig.1.6. Sistem de măsurare şi achiziţii de date cu calculator şi
aparate cu interfeţe standard IEEE 488.
18. • Interfaţa IEEE 488 (GPIB) este un ansamblu de circuite
electronice care permite aparatelor funcţionarea ca emiţător,
receptor sau controler.
• Ca emiţător, aparatul trimite pe bus date spre unul sau mai
multe receptoare desemnate,
• Ca receptor el primeşte date de la celelalte aparate, inclusiv de
la calculator.
• Rolul de controler este jucat, în general, de calculator; in
această funcţie, el desemnează, la fiecare moment, care aparat
trebuie să emită date şi care aparat trebuie să le primească.
• Structura busului GPIB este urmatoarea:
- BUS-ul de date, care transferă datele si comenzile;
- BUS-ul de transfer, execută protocolul de transmitere
- BUS-ul de comenzi generale, este în principal utilizat
de controler servind gestiunii generale a sistemului.
20. • µP este completat cu circuitele uzuale:
-I/O (Input / Output) - interfaţă de intrare - ieşire ;
-ROM-(Read Only Memory) memorie implementată cu
program;
-RAM-(Random Acces Memory) memorie de lucru şi
stocare intermediară;
-TIMER- ceas - bază de timp pentru derularea operaţiilor.
• Tastatura, display-ul, respectiv imprimanta sunt prezente, fie
numai la punerea în funcţiune, fie tot timpul, la cerere.
• Memoria externă şi MODEM-ul nu figurează decât dacă este
necesar.
• sistemul cu µP trebuie să genereze:
- semnale de adresare a canalului pentru MUX (a) şi
DEMUX (d);
- semnalul de comandă (b) pentru circuite de eşantionare -
memorare ( E&M);
- semnalele de start al CAN (c).
21. 1.2.5. Arhitectura unor sisteme de măsurare
specializate
1.2.5.1. Sistem de măsurare pentru achiziţia
sincronă a mai multor semnale
• Pentru aceasta, se pot plasa câte un circuit E&M pe
fiecare canal, la intrarea pe MUX. Conversia analog
numerică şi citirea datelor pe fiecare canal se pot face
atunci la momente diferite (Fig.1.8).
Fig.1.8. Sistem de măsurare şi achiziţie de date pentru măsurări sincrone.
22. 1.2.5.2. Sisteme de măsurare pentru mărimi rapid
variabile
• Pentru mărirea vitezei de achiziţie a datelor, când
fenomenele studiate variază rapid, este posibila utilizarea
mai multor CAN în paralel pe acelaşi canal.
Fig.1.9. Sistem de măsurare şi achiziţie de date pentru fenomene
rapide.
23. Exemplu numeric :
Se presupune că:
- timpul de conversie al CAN este: tc = 2,5 µs;
- timpul de achiziţie al circuitului E&M: ta = 0,3 µs.
Dacă se eşantionează semnalul pe un singur canal,
timpul de achiziţie al unei măsurări este: ta + tc = 2,8 µs, viteza
de achiziţie nedepăşind, în acest caz:
1 1
= = 3,57 ⋅10 5 esantioane / s
t a + t c 2,8 ⋅10 −6
Din contră, dacă se eşantionează semnalele ca în Fig.1.9,
este posibil de a preleva un eşantion pe µs, ceea ce revine la o
viteză de 106 eşantionări/s. În aceste condiţii, fiecare CAN
dispune totuşi de 3 µs pentru a efectua conversia.
24. 1.2.5.3. Arhitectura sistemelor de măsurare
distribuite
Fig.1.10. Sisteme de măsurare cu transmisia la distanţă a semnalelor.
Dacă sistemul de prelucrare a datelor se află la distanţă de
fenomenul sau instalaţia măsurată, transmisia semnalelor
poate fi afectată de zgomote.
25. • În acest caz, se utilizează conversia analog-numerică locală
sau conversia în frecvenţă, transmiţându-se la distanţă semnale
numerice sau modulate în frecvenţă, mult mai puţin afectate de
zgomote decât semnalele analogice.
• O soluţie tot mai frecvent folosită, este cea care utilizează
transmisia pe fibre optice, semnalul optic fiind practic imun la
zgomote.(Fig. 1.10)
• O alta tendinţă în realizarea sistemelor distribuite de
măsurare o constituie utilizarea traductoarelor inteligente sau a
sistemelor traductor-dispozitiv de acţionare ce pot fi conectate
prin bus-uri inteligente (reţele informatice) la un calculator
master.
26. 1.2.6. Concluzii
• Arhitectura sistemelor numerice de măsurare poate fi
foarte diferită, în funcţie de:
- mărimile măsurate,
- viteza lor de variaţie,
- numărul de canale de măsurare,
- tehnica de calcul disponibilă,
- precizia de măsurare cerută şi, nu în ultimul rând,
- preţul de cost al componentelor utilizate.
