Интеллектуальные датчики давления (аналоговые и цифровые)

К интеллектуальным датчикам относятся адаптивные приборы с изменяемыми от внешнего сигнала алгоритмами работы и функциями метрологического самоконтроля. Характерной их чертой является способность к самообучению и самовосстановлению после случайного сбоя. Датчик также можно охарактеризовать как электронный прибор, включающий в себя:

• аналого-цифровой преобразователь;
• цифровой сигнальный процессор;
• микропроцессор;
• цифровой интерфейс, поддерживающий сетевые коммуникационные протоколы.

Благодаря функции самоидентификации интеллектуальные датчики часто включают в единую проводную или беспроводную сеть вместе с другими устройствами.

Сетевой интерфейс позволяет подключать прибор к сети, производить настройку, конфигурацию, диагностику, выбирать режим работы. Все эти операции можно выполнять дистанционно, что существенно упрощает эксплуатацию и обслуживание прибора.

На приведенном ниже рисунке отражена структурная схема, на которой обозначены основные (минимально необходимые) блоки интеллектуального датчика. На схеме показано, как входящие аналоговые сигналы усиливаются, а затем преобразуются в цифровые (прерывистые) сигналы для последующей обработки.

Микропроцессор сопоставляет поступающую информацию с данными калибровки, находящимися в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), при необходимости производит соответствующую корректировку, после чего выдает результат в требуемых единицах измерения. Таким образом компенсируется погрешность прибора, вызванная влиянием разнообразных объективных причин (дрейфом нуля, колебаниями температур и др.). Параллельно производится оценка состояния первичного преобразователя для повышения достоверности показаний.

Передача обработанных данных производится через цифровой коммуникационный интерфейс и протокол пользователя, посредством которого можно задавать различные параметры датчика (в частности, диапазон измерений) и получать сведения о текущем состоянии прибора, а также о результатах проделанных измерений.

В современных интегральных схемах (системах на кристалле – СНК) присутствует не только микропроцессор, но и другие компоненты, такие как память и периферийные устройства. В состав последних входят:

• прецизионные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;
• контроллеры Ethernet, USB и последовательных портов;
• таймеры и др.

Распределительная сеть, включающая в себя интеллектуальные датчики, предоставляет возможность проводить мониторинг в режиме реального времени технологических процессов, осуществляемых с помощью сложного промышленного оборудования.

Отсутствие единого сетевого стандарта для интеллектуальных датчиков в значительной степени препятствует активному развитию проводных и беспроводных сетей, в состав которых входят эти приборы. Однако, несмотря на определенные ограничения, на сегодняшний день успешно функционируют промышленные сети Interbus, Modbus, CANbus, ProfiBus, Fieldbus, DeviceNet, LIN, а также ряд интерфейсов, таких как HART, RS–485, IEEE–488, USB, 4–20 мА.

Подобное разнообразие вариантов осложняет производителям задачу по выбору модификации датчика, максимально соответствующей потребностям рынка. Связано это с тем, что выпускать одну и ту же модель для отдельного протокола экономически не целесообразно. Решение проблемы в значительной степени облегчило появление стандарта IEEE 1451 «Smart Transducer Interface Standards», предусматривающего унификацию интерфейса между датчиком и сетью. Данный стандарт позволяет адаптировать отдельные датчики к сети датчиков посредством программных и аппаратных методов включения датчиков в сеть.

В стандартах IEEE 1451.1 и IEEE 1451.2 описываются две группы устройств. Первый устанавливает единообразный интерфейс для подключения интеллектуальных датчиков к сети при помощи модуля NCAP, представляющего собой своеобразную перемычку между собственным модулем датчика STIM и внешней сетью. Во втором стандарте предусмотрена возможность подключения цифрового интерфейса к сетевому адаптеру. Технология TEDS, охватывающая интеллектуальные датчики со встроенным набором характеристик, предоставляет возможность самоидентификации прибора в сети. В набор характеристик входят следующие параметры:

• код модели;
• серийный номер;
• дата производства;
• дата и данные калибровки.

Применение указанных стандартов упрощает эксплуатацию и обслуживание сетей, что побуждает производителей придерживаться определенных требований.

Включение интеллектуальных датчиков в единую сеть позволяет организовать доступ к сведениям об измерениях на основе программного обеспечения вне зависимости от типа прибора и конфигурации сети. Такая сеть служит связующим звеном между группой датчиков и оператором, помогает успешно регулировать технологические процессы.

На третьем уровне программного обеспечения происходит обратная связь между системой и пользователем. При этом ПО может быть самым разным, так как оно не привязано к цифровому интерфейсу датчиков.

На современном этапе разработка интеллектуальных датчиков развивается одновременно по нескольким направлениям.

1. Использование инновационных методик измерений, предполагающих интенсивную вычислительную обработку данных непосредственно в датчике. В этом случае открывается возможность расположения сенсоров вне измеряемой среды, что позволяет улучшить стабильность и надежность показаний прибора наряду с упрощением технического обслуживания. При этом конфигурация измеряемого объекта значения не имеет.
2. Упор на беспроводные датчики как наиболее перспективные. Расположенным на расстоянии друг от друга движущимся объектам требуется беспроводная связь со средствами автоматики и контроллерами. Этот вид связи постепенно становится все боле эффективным за счет повышения качества и удешевления радиотехнических устройств. Каждый прибор передает информацию в рамках определенного временного интервала (TDMA), на собственной частоте (FDMA) и с инициальным кодированием (CDMA).
3. Создание миниатюрных интеллектуальных датчиков для встраивания в промышленное оборудование, что избавляет от необходимости прибегать к дополнительным средствам измерения. Такие датчики, несмотря на габариты в несколько миллиметров, способны выполнять множество операций: измерять давление, температуру и влажность, производить обработку информации, передавать данные в сеть. При этом точность показаний и надежность работы остаются на высоком уровне.
4. Внедрение многосенсорных датчиков, способных обрабатывать и анализировать информацию от нескольких сенсоров. Таким образом, вместо нескольких отдельных датчиков можно поставить один многофункциональный прибор.
5. Большое внимание уделяется повышению степени интеллектуальности. Это открывает возможности для ускоренной обработки и анализа данных, прогнозирования неполадок, самодиагностики, логического управления и регулировки.

Ожидается, что в недалеком будущем интеллектуальные датчики будут рассматриваться уже не как обычные сенсоры, а как многофункциональные средства автоматизации производственных и технологических процессов.