MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

5.

Sisteme de achiziţie şi prelucrare

automată a datelor

5.1 Definiţie şi concepţie generală pentru

sistemele de măsură O accepţiune generală a termenului de sistem se referă la un ansamblu de elemente materiale (sau ideale) aflate într-o relaţie de interdependenţă şi de interacţiune, care funcţionează ca un întreg organizat. Trecând peste abordarea matematică - sistem de ecuaţii, astronomică – sistem solar, socială – sistem capitalist, etc., sistemul de măsură este un aranjament de componente care preia mărimi de intrare din mediul înconjurător şi le transformă în semnale (sau răspunsuri) la ieşire [7a]. Scopul unui sistem de măsură este de a oferi valori numerice corespunzătoare unei variabile supuse măsurării. De exemplu, manometrul oferă valoarea presiunii unui fluid dintr-o incintă de orice fel. Desigur valoarea numerică oferită de manometrul în cauză poate fi sau nu corectă, din diverse motive. De aceea aparatele şi sistemele de măsură este necesar să fie supuse unor rigori metrologice privind verificarea funcţionării şi etalonarea. O schemă bloc a unui sistem de măsură (în cazul de faţă acceptat simplist ca fiind format dintr-un manometru) este prezentată în figura 5.1.

Fig.5.1. Schema generală principială a unui sistem de

măsură

Desigur, din figura de mai sus nu rezultă componenţa necesară pentru ca entitatea prezentată să fie un sistem în spiritul definiţiei din primul paragraf. De aceea este necesar să precizăm componentele uzuale ale unui sistem de măsură, după cum va rezulta în continuare.

Informaţia primară, din sau de la fenomenul fizic cercetat experimental culeasă de către senzor trebuie, aşa cum rezultă din capitolele anterioare prelucrată ca semnal electric, transmisă şi apoi afişată analogic sau digital ca funcţie primară care se supune, după necesităţi la o prelucrare matematică pentru înlesnirea interpretării ei. Deciziile privind desfăşurarea fenomenului fizic se pot desfăşura ca o acţiune ulterioară pentru modificarea condiţiilor sau a maşinii de lucru, sau ca intervenţie „manuală” sau automată în evoluţia în timp real a fenomenului în cauză. În situaţia din urmă este necesară o buclă de reacţie şi elemente active pentru intervenţie. În figura 5.2 se redă schema bloc a unui sistem de măsură, fără bucla de reacţie.

Fig.5.2. Schema bloc a unui sistem de măsură

Prima treaptă, traductorul, sau senzorul a fost tratat pe larg în capitolul 2. Trebuie înţeles că acesta preia energie de la fenomenul fizic în desfăşurarea şi o transformă în semnal electric corespunzător mărimii măsurate. Este esenţial ca, din punct de vedere cantitativ, să nu fie nevoie de o preluare mare de energie, şi în acest scop se apelează de multe ori la amplificarea semnalului slab dat de traductor. Se mai impune ca toate componentele electronice ale traductorului să fie concentrate într-un singur loc pe un volum cât mai redus. Transmiterea semnalului de la senzor către prima treaptă de procesare este de obicei pe cale electrică cu precauţii privind influenţele exterioare (bruiajul). Procesarea electrică primară are loc în dispozitive şi aparate dotate cu circuite care pot amplifica, filtra, modifica impedanţa, modula sau demodula – după necesităţi - semnalul venit de la senzor. Transmiterea la distanţă mare dacă este cazul, către prelucrarea finală, de obicei efectuată pe un calculator de proces sau dedicat, se face pe o magistrală de date. Aceasta este dotată cu circuite care permit transmiterea simultană un număr mare de semnale după ce au fost „amestecate” conform unui algoritm specific. În fine, prelucrarea finală presupune, după caz, conversia A-N, desfăşurarea de calcule, conversia N-A şi apoi afişarea şi înregistrarea în memoria calculatorului sau cu ajutorul unor alte periferice (benzi magnetice, inscripţionări pe hârtie , etc.). În realitate, de multe ori, nu apare evidentă despărţirea între modulele unui sistem de măsură mai sus arătate. Din acest motiv, în concepţia sistemelor de măsură, se apelează la o zonare convenţională a domeniului de

Cap.5. Sisteme de achiziţie şi prelucrare automată a datelor MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

lucru – în domeniul fenomenului fizic şi domeniul de date experimentale [13a]. La rândul lui domeniul de date se divide în domeniile: analog, digital şi de timp. Mai apare separat un domeniu al afişării care poate fi analogic sau digital. Cu aceste concepte, sistemul de măsură poate fi privit în termenii de conversie a unui domeniu în altul [14a]. 5.2. Cerinţe privind sistemele de măsură Realizarea unor sisteme de măsură pentru determinări complexe, de cele mai multe ori, conduce la unicate. Cerinţele generale de realizare se află sub comandamentul aspectelor tehnice şi economice, în general contradictorii. Cea mai importantă cerinţă de îndeplinit a unui sistem de măsură este să fie potrivit scopului pentru care se construieşte. Aceasta înseamnă să realizeze măsurarea mărimilor fizice din procesul real cu precizia cerută, să permită transmiterea datelor la distanţa necesară, să afişeze şi să înregistreze mărimile impuse. Altă cerinţă importantă este posibilitatea adaptării la condiţiile de mediu privind localizarea spaţială, evitarea perturbaţiilor şi rezistenţa la factorii agresivi (mecanici, fizici, chimici). Desfăşurarea proceselor de măsurare trebuie să se facă în condiţii care ţin cont de condiţiile de etalonare ale aparaturii. O cerinţă de bază este certificarea sistemului de măsură prin calibrare, pentru a avea certitudinea că el oferă valori cât mai aproape de realitate ale mărimilor fizice măsurate din procesul fizic analizat. În fine, aspectele economice nu sunt de neglijat, sistemul de măsură trebuie să aibă o acoperire economică în contextul general al activităţilor tehnice din care face parte. 5.3. Sisteme de achiziţie şi prelucrarea automată

a datelor În desfăşurarea proceselor fizice pe agregate sau instalaţii complicate, la care mărimile fizice care trebuiesc măsurate se află la distanţă mare una de alta şi se impune culegerea unui număr mare de date, transmiterea către o prelucrare centralizată, cu afişare imediată a valorilor primare şi de sinteză ale procesului se apelează la sisteme automate de măsurare şi prelucrare a datelor experimentale denumite sisteme de achiziţie şi prelucrare în timp real a datelor experimentale (SAPTR). Un exemplu imediat din domeniul maşinilor şi echipamentelor hidraulice este o centrală hidroelectrică, la care se cere cunoaşterea a mai multor zeci de mărimi, cum ar fi nivelul din lac, poziţia vanelor de la priza de apă, presiunea în conducta forţată, starea vanelor de la intrare în turbine, poziţia aparatului director, debitul, căderea, turaţia, puterea turbinelor (valori instantanee şi /sau mediate în timp) , puterea generatorului, randamentul turbinei şi a hidroqagregatului, temperaturile în diverse zone ale bobinajului şi în lagăre, temperaturile agenţilor de răcire, nivelele presiunilor din sistemele de acţionare, nivelele lichidelor tehnologice, frecvenţa şi amplitudinea

vibraţiilor în regimurile tranzitorii şi la funcţionarea în gol şi în sarcină, nivele aval de turbină, etc. Arhitectura acestor sisteme respectă, în principiu, alcătuirea generală a sistemelor de măsură mai sus prezentată, având unele particularităţi care vor fi evidenţiate în cele ce urmează. 5.3.1. Sistem de achiziţie şi prelucrare a datelor

experimentale cu multiplexor în primul nivel Această configuraţie, prezentată în figura 5.3. este cea mai simplă structură a unui sistem de achiziţie şi prelucrarea în timp real a datelor (SAPTR). Caracteristica principală este dată de multiplexorul analogic care culege datele de la traductoarele aflate în contact direct cu mărimile primare şi le transmite secvenţial (pe rând) convertorului A-N. Multiplexorul este un aparat electronic care are în principiu o serie de „porţi” de tip analogic şi un decodor care selectează comutatorul potrivit şi timpul potrivit de transmitere a semnalului, fiind controlat de un calculator sau un microprocesor propriu.

Fig.5.3. SAPTR cu multiplexor la primul nivel Astfel, semnalele de la senzorii S1,...Sn sunt introduse în multiplexorul analogic şi transmise convertorului analog – numeric CAN trecând printr-un amplificator A, un filtru F şi o memorie tampon Mt. Legătura la calculator se realizează prin intermediul unei interfeţe, care permite şi transmiterea unor comenzi pe legătura de reacţie, de la unitatea de calcul către elementele sistemului. Deşi relativ simplă constructiv, soluţia prezentată are o serie de deficienţe care-i scad performanţele. În primul rând, multiplexorul poate introduce perturbaţii din cauza erorilor proprii care se adaugă la cele specifice senzorilor. Linia lungă de transmitere a semnalului sub formă analogică este supusă perturbaţiilor factorilor exteriori.

Cap.5. Sisteme de achiziţie şi prelucrare automată a datelor MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

Amplificatorul este dificil de adaptat la o mare varietate de semnale provenite de la senzori, introducându-se alt gen de perturbaţii şi distorsiuni. Amplificatorul trebuie să acţioneze atât pentru semnalele simple cât şi pentru cele diferenţiale. Filtrul are un caracter universal şi elimină un spectru de frecvenţe fix, care nu este identic pentru toţi senzorii. Din acest motiv filtrul ar trebui să fie programabil pentru banda de frecvenţă a fiecărui traductor. Pe de altă parte timpul de achiziţie se lungeşte din cauza necesităţii transmiterii secvenţiale a semnalelor de la senzori. 5.3.2. Sistem de achiziţie şi prelucrare a datelor

experimentale cu multiplexor analogic la nivel superior

O altă configuraţie, care rezolvă o parte din neajunsurile schemei anterioare, este prezentată în figura 5.4. Avantajul principal al acestei construcţii este plasarea unor amplificatoare adecvate imediat după senzori şi introducerea semnalelor amplificate în multiplexorul analogic.

Fig.5.4. SAPTR cu multiplexor analogic la nivel superior

Şi în acest caz veriga slabă a sistemului este multiplexorul analogic, în special la un număr mare de canale, deoarece se limitează prin acesta timpul de transmitere a semnalelor şi nu totdeauna tensiunea de intrare proprie este adecvată tuturor senzorilor. Dacă se impun determinări simultane , cu un volum mare de date, apare necesitatea anexării unor memorii tampon pe fiecare canal înainte de multiplexor, ceea ce ar ridica mult costurile. De asemenea, cale a lungă a semnalelor transmise analogic permite bruiaje exterioare. Sistemul este condus de calculator în etajul de procesare electrică a semnalelor (filtrare, memorare provizorie şi conversie AN).

5.3.3. Sistem de achiziţie şi prelucrare a datelor experimentale cu multiplexor digital la nivel superior

Dacă pentru sistemele mai sus prezentate se poate aplica eticheta de „centralizat”, prin instalarea uni multiplexor digital la un etaj superior, aproape de calculatorul de proces, se creează un sistem „descentralizat” , care separă procesarea electrică a semnalelor de transmiterea la o distanţă mare către PC. Un astfel de sistem este prezentat schematic în figura 5.5.

Fig.5.5. SAPTR cu multiplexor digital la nivel superior

La aceste sisteme, fiecare mărime fizică are „calea” de transmitere către unitatea de calcul, iar multiplexorul, conform programării recepţionează semnalele care pot fi simultane şi la transmite către PC pe o cale de comunicare comună. Interfaţa de achiziţie este conţinută de calculator, iar unele soluţii presupun convertorul AN şi o memorie tampon în interiorul multiplexorului. Deşi costurile sunt mai ridicate sistemul mai sus prezentat este mai protejat de bruiaje, fiindcă amplificarea, filtrarea şi conversia AN are loc în vecinătatea senzorilor, linia lungă de transmitere a datelor fiind între multiplexor şi calculatorul de proces. 5.3.4. Sistem de achiziţie şi prelucrare a datelor

experimentale cu traductoare digitale Determinările experimentale efectuate în laboratoare nu au nevoie, în general de transmiterea datelor la distanţe mari ci de sisteme simple cu acurateţe şi rapiditate mare. Utilizarea traductoarelor care au la ieşire semnale digitale simplifică mult componenţa sistemelor de măsurare şi oferă siguranţă în ceea ce priveşte bruiajul. Sisteme moderne de achiziţie sunt montate direct în interiorul calculatoarelor şi există softuri specializate pentru culegerea

Cap.5. Sisteme de achiziţie şi prelucrare automată a datelor MĂSURAREA ŞI MONITORIZAREA ÎN TIMP REAL A MĂRIMILOR HIDRAULICE

prelucrarea şi afişarea convenabilă a datelor. Un astfel de sistem este prezentat schematic în figura 5.6.

Fig.5.6. SAPTR cu traductoare digitale

Deşi costurile senzorilor digitali (SD) sunt mai mari, semnalul oferit de acestea este imun la perturbaţiile exterioare obişnuite, nu necesită amplificare şi filtrare şi nici conversia AN separată. Memoria tampon, pentru stocarea temporară a datelor se regăseşte în multiplexorul digital şi pe placa de achiziţie date. Acestea din urmă dispun de convertoare AN şi NA, astfel că schema din figura 5.6 se poate aplica în anumite cazuri şi când se utilizează traductoare cu ieşire analogică şi multiplexor analogic. Din cele mai sus prezentate rezultă, în primul rând, necesitatea respectării cerinţelor generale ale sistemelor de măsură în spiritul satisfacerii nevoilor de măsurare proprii fiecărui sistem. O analiză tehnico- economică, care să ţină seama de complexitatea problematicii şi de scopul ce urmează a fi atins, se impune la stabilirea oricărei scheme principiale.