Inteligentne czujniki w projektowaniu systemów automatyki, pomiarów i sterowania

fot. Omron Electronics

Definicja inteligentnego czujnika (ang. intelligent sensor, smart sensor) została sformułowana w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku w odniesieniu do zintegrowanej konstrukcji układów zawierających czujniki półprzewodnikowe z obwodami elektronicznymi.

Wraz z rozwojem nowoczesnych technologii, definicja czujników inteligentnych ewoluowała, w miarę rosnących wymagań i oczekiwań w stosunku do ilości i jakości informacji uzyskiwanych w systemach automatyki, pomiarów i sterowania. Procesy te są stymulowane coraz większymi nakładami finansowymi oraz wymaganiami dostawców i odbiorców nowych zastosowań urządzeń, wymagających coraz większej ilości danych i posiadania funkcji logicznych umożliwiających podejmowanie wielu niezależnych działań.

Czujniki inteligentne są nową klasą urządzeń, która zrewolucjonizowała pozyskiwanie informacji z otaczającego nas środowiska. Wbudowana w czujniki inteligencja umożliwia wyodrębnienie najbardziej użytecznych informacji pozyskanych w procesie pomiaru w sposób bardziej bezpieczny, precyzyjny, szybki oraz bardziej ekonomiczny niż to ma miejsce w przypadku stosowania czujników tradycyjnych.

Właściwości czujników inteligentnych

Aby lepiej zrozumieć strukturę czujnika inteligentnego, na rysunku 1 pokazano schemat blokowy klasycznego, zintegrowanego czujnika, który przedstawia wyraźny podział na trzy elementy: element czujnikowy (np. rezystor, kondensator, element piezoelektryczny, tranzystor, fotodioda), układ kondycjonujący i przetwarzający (np. wzmacniacz, układy linearyzujące, kompensujące i filtrujące) oraz interfejs komunikacyjny (przewody, złącza itp.). Jak przedstawiono na rysunku 2, zasadniczą różnicą między czujnikiem zintegrowanym i inteligentnym jest obecność w czujniku inteligentnym mikrokontrolera/ mikroprocesora [1].

Nie wnikając w historyczne zmiany w zakresie definicji czujników inteligentnych, obecnie większość kadry inżynierskiej, niezależnie od reprezentowanej dziedziny, uznaje za czujniki inteligentne takie urządzenia, które w porównaniu z rozwiązaniami klasycznymi czujników zintegrowanych mają co najmniej jedną z przykładowych właściwości:

• linearyzacja charakterystyk przetwarzania – wykorzystując odpowiednie algorytmy oraz dane pochodzące z wbudowanych czujników kompensacyjnych albo z systemu nadrzędnego, zwiększają dokładność pomiaru i eliminują wpływ takich czynników jak temperatura lub ciśnienie,
• detekcja błędów i diagnostyka, m.in. wskutek wpływu dryftu termicznego i długoterminowego,
• dwustronne komunikowanie się z innymi urządzeniami w sieci,
• autotest i autokalibracja – możliwość zdalnej obsługi wielu czujników,
• rejestracja i analiza danych pomiarowych – wykorzystując wbudowaną pamięć i mikrokontroler oraz komunikację sieciową,
• zdolność uczenia się i samodzielnego podejmowania decyzji, np. wyznaczanie zakresu pomiarowego.

Mikrokontroler może również podejmować decyzję, kiedy dane z czujnika mogą być transmitowane do zewnętrznego systemu komputerowego. Coraz częściej czujniki inteligentne mają w swojej strukturze cztery ważne cechy: centralną jednostkę przetwarzającą, niewielkie wymiary, możliwość  bezprzewodowej komunikacji oraz niski koszt.