Mjerni pretvornici - senzori

Da bi se na ulaz u A/D pretvornik doveo analogni signal koji je posljedica promatranja neke pojave potrebno je izvršiti pretvorbu vrijednosti temperature, pritiska ili nekog drugog fizikalnog ili kemijskog procesa u analogni signal. Takvi pretvornici nazivaju se MJERNI PRETVORNICI ili SENZORI. Dakle, služe za pretvaranje neelektričnih veličina u električne napone.

Mnogo je izvedbi mjernih pretvornika. No svi oni u osnovi sadrže osnovne elektroničke komponente kao što su:

• Termistori
  Otpornici kojima se vrijednost mijenja promjenom temperature. Izrađuju se kao NTC i PTC otpornici. Prvima otpor s porastom temperature pada, a drugima raste. Ukomponirani u sklop s nekim izvorom napona i otpornim djeliteljem i ako treba pojačalom daju dobar temperaturni senzor.
• Ugljeno-tlačni otpornici
  Rade po načelu zbijanja zrnaca ugljene prašine. Najpoznatiji proizvod je poznat kao mikrofon u telefonskoj slušalici. No u mjerne svrhe radije se koriste ugljene pločice posložene u stupić, kojemu se ukupna vrijednost otpora smanjuje što je pritisak na stupić veći. Dakle, imaju zadaću za pretvorbu tlačne sile u analogni signal.
• Mjerni potenciometar
  Žičani ili ugljeno-slojni potenciometri već odavno su poznati u elektronici i primjeni u svakodnevnom životu. Izrađuju se kao otporna žica ili ugljeni sloj kružnog ili spiralnog oblika duž kojeg se preko klizača očitava napon na spoju klizača koji je mehanički povezan s okretnom osovinom postavljeno uzduž osi spirale potenciometra. Dakle, pretvaraju kružno kretanje u analogni signal. Na tim načelima radi poznata igrača palica.
• Tenzometrijska traka
  Istezanjem otporne žice ona postaje tanja i dulja te joj se prema tome mijenja otpor. Ostane li se pri tome u granicama elastičnosti materijala žice pri prestanku istezanja vrijednost otpora poprima prvobitnu veličinu. Obično je izrađena kao više paralelnih žičanih elemenata spojenih serijski čvrsto ugrađenih u plastičnu traku. Ako se takva traka zalijepi za zgradu ili dio stroja tvrdim ljepilom može se pratiti istezanje ili torzija, odnosno mehaničko opterećenje. U primjeni se najčešće koriste kod vaga.
• Induktivni mjerni pretvornici
  Ako se u zavojnicu ukomponira pomični magnet , ili obratno, svaki međusobni pomak zavojnice i magneta inducira u zavojnici nekakav napon. Što su promjene brže inducirani napon je veći. To načelo koristi se za mjerenje vibracija i ubrzanja, ili broja okretaja. Dakle načelo slično radu magnetske glave u kazetofonu. Služiti će u krugovima regulacije broja okretaja i slično.
• Kapacitivni mjerni pretvornici
  Sama osobina kondenzatora da se na njemu mijenja napon i spoju s otpornim djeliteljem povezanim na generator izmjenične struje ukazuje već da će služiti u senzorima za nadzor promjene frekvencije. To svojstvo koristiti će se u sondama za praćenje razine tekućine u tankovima, nadzor prostorija i slično. Vari-cap dioda veće je prije spomenuta.
• Foto-elementi
  Imaju osobinu da im se promjenom jakosti osvjetljenja mijenja otpor. Izrađuju se kao foto-otpor, foto-dioda ili foto-tranzistor. U kombinaciji s nekim izvorom svijetla služiti će od brojanja predmeta pa do nadzora prostora.
• Piezo-električni pretvornici
  Svojstvo kvarca ili titanata je da pri savijanju na suprotnim površinama stvara različita količina naboja te stoga i potencijalna razlika, kao i suprotno tome da potencijalna razlika izaziva mehaničko savijanje, svojstvo je ovih pretvornika. Služe za praćenje brzih izmjeničnih promjena.
• Magnetski pretvornici
  Izrađuju se kao otpornici koji mijenjaju vrijednost u zavisnosti od jakosti magnetskog polja. Tu pripadaju magnetske diode i Halov generator kako aktivni element slično kristalima kvarca.
• Termo-električni elementi
  Dvije zavarene žice od različitih materijala prilikom zagrijavanja spojenog mjesta daju na krajevima napon. Još jedan od pretvornika za praćenje temperaturnih promjena.

Neke fizikalne veličine ili stanja moguće je izravno izraziti na digitalan način. Na primjer, nadzor zatvorenosti vrata u prostoriju ili paljenje svijetla u vozili pri otvaranju vrata. U tu svrhu može poslužiti i običan prekidač. Takvo što teško je nazvati senzorom (osjetilom).

Dakle senzori će uglavnom davati analogni izlaz. Od njih se u osnovi traži da ne djeluju na svojstva ili ponašanje sredine u kojoj se nalaze. Kod senzora se nastoji na njihovom izlazu dobiti signal proporcionalan fizikalnoj veličini koju mjeri uz minimalni upliv na istu.

Osobitosti o kojima treba voditi računa pri korištenju senzora je točnost, sposobnost približavanja pravoj vrijednosti fizikalne veličine, a koja se ogleda u slijedećim parametrima:

• Statička greška - Odstupanje između pokazane i stvarne vrijednosti fizikalne veličine kada se ova ne mijenja. Obično se daje u postocima prema najvećoj vrijednosti koja se može mjeriti.
• Dinamička greška - Koliko senzor 'kasni' za promjenama fizičke veličine. Svaki senzor posjeduje dinamičku grešku. Ova greška nestaje kad se fizikalna veličina prestane mijenjati.
• Greška ponovljivosti - Najveće odstupanje od srednje vrijednosti pri ponovljenom mjerenju nepromijenjene fizikalne veličine (histereza).
• Mrtvo vrijeme - Predstavlja vrijeme potrebno da se promjene fizikalne veličine počnu iskazivati i na izlazi iz senzora.
• Mrtva zona - Najveća promjena fizikalne veličine do koje se na izlazu iz senzora još uvijek ne očitavaju promijene.

Koji od senzora će se rabiti ovisi o vrsti procesa koji će se pratiti. Prethodno navedeni samo su dio od mogućih koji će se u praksi koristiti. Računa se da danas ima preko 10'000 vrsta senzora koji obrađuju više od 100 različitih parametara. Ne postoji nekakva posebna senzorska tehnologija, nego je svaka vrsta i svaki senzor nešto specifično. Pri vrlo zahtjevnim analizama i istraživanjima neće se koristiti samo navedeni senzori, već će oni biti sastavni dio nekog analizatora koji će svoje rezultate isporučiti računali preko A/D pretvornika. Takvi analizatori obično su vrlo skupi uređaji renomiranih tvrtki i gotovo su nezaobilazni u izučavanju kemijskih procesa.

U procesnoj tehnici vrlo se često potrebna različita mjerenja kao: pH - mjerenje za određivanje kiselosti tekućina, mjerenje vlage ionizacije plina, poroznosti, kontrolu zraka, gdje će se tako složene aparature uporabiti.

Svaki senzor prije uporabe treba kalibrirati. Kalibracija je postupak kada očitavanja napravljenog senzora uspoređuju s rezultatima provjerenog i vrlo preciznog po svrsi srodnog senzora glede ustanovljavanje njegove točnosti. Postupak kalibracije obavlja se različitim metodama i nije tema ovog područja.

Primjer III

Nekakav senzor definitivno je postao sastavni dio većine elektroničkih uređaja koje koristimo. Ne treba sve promatrati kao elektronički uređaj. Moderan automobil ima mnoštvo senzora u motoru i ostalim dijelovima vozila za nadgledanje količine goriva u spremniku, razine ulja u motoru, stanja kočnica, temperature rashladne tekućine, vanjske temperature i još podosta toga. Kada korisnik dođe u servis, serviser kabelom preko posebnog priključka automobilske senzorske izvode priključi s računalom za servisiranje i dobiju se odmah prilično točni podaci o stanju vozila.

No, senzor ugrađen u kućno ili konobarsko pomagalo na narednoj slici nešto je neuobičajeno.

Slika 7.1.4 Uporaba senzora pritiska.

Svaki pritisak prilikom otvaranja pivske ili vinske boce povećava brojčani iznos na pokazivaču za jedan. Korisno za konobare, a i za one koji žele svoje neuobičajene slobodne aktivnosti imati pod kontrolom.

SAŽETAK:

Kako postoji više vrsta sklopovskih struktura u koje se pretvornik može ugraditi, obično PC kompatibilno računalo ili Apple Macintosh prema vrsti operativnog sustava i procesora, odnosno serijski, paralelni, PCMCI ili USB priključak ako se senzor priključuje na računalo preko nekog od standardnih priključaka, treba paziti prilikom nabavke pretvornika u koji sustav se predviđa ugraditi. Naravno uz uređaj se mora dobiti:

• Upravljačka programska potpora (driver) za OS računala.
• Programska potpora za nadzor unosa izmjerenih podataka i njihovu obradu.

Pri odabiru mjernog sustava ekonomično je koristiti višekanalni sustav ako se ima namjeru rabiti ga u različite svrhe istovremeno, kao što je dobro glede cijene odabrati jednokanalni sustav ako će služiti isključivo jednoj zadaću u dužem vremenskom razdoblju.

Napredak tehnologije, osobito u izradi integriranih krugova omogućio je izradu priručnih univerzalnih instrumenata koji imaju ugrađene A/D pretvornike te memoriju u koju mogu pohraniti određeni broj podataka, kao i programsku potporu koja će omogućiti očitavanje memorije i prijenos podataka u računalo. Takvi uređaji sasvim su dostatni za preliminarna mjerenja ili za prikupljanje osnovnih podataka na terenu. Mogu se dobiti već po cijeni od 200 $.

Proizvođači za potrebe stručnjaka imaju vrlo šaroliku ponudu opreme i senzora te se prilikom upuštanja u odabir iste treba imati ispravnu spoznaju o vrijednostima koje se imaju dobiti mjerenjima te analogno tome i izabrati mjernu opremu. Krive prosudbe mogu značiti uzalud utrošena sredstva.