Sensores inteligentes e seu uso

De acordo com GOST R 8.673-2009 GSI "Sensores inteligentes e sistemas de medição inteligentes. Termos básicos e definições ”, sensores inteligentes são sensores adaptativos contendo algoritmos de trabalho e parâmetros que mudam de sinais externos, e nos quais a função de autocontrole metrológico também é implementada.

Uma característica distintiva dos sensores inteligentes é a capacidade de autocorreção e autoaprendizagem após uma única falha. Na literatura de língua inglesa, sensores desse tipo são chamados de "sensor inteligente". O termo pegou em meados da década de 1980.

Hoje, um sensor inteligente é um sensor com eletrônica embarcada, incluindo: ADC, microprocessador, processador de sinal digital, system-on-chip, etc., e uma interface digital com suporte para protocolos de comunicação de rede. Desta forma, o sensor inteligente pode ser incluído em uma rede de sensores sem fio ou com fio, graças à função de autoidentificação na rede junto com outros dispositivos.

A interface de rede de um sensor inteligente permite não apenas conectá-lo à rede, mas também configurá-lo, configurá-lo, selecionar um modo de operação e diagnosticar o sensor. A capacidade de realizar essas operações remotamente é uma vantagem dos sensores inteligentes, pois são mais fáceis de operar e manter.

A figura mostra um diagrama de blocos mostrando os blocos básicos de um sensor inteligente, o mínimo necessário para que o sensor seja considerado como tal. O sinal analógico de entrada (um ou mais) é amplificado e depois convertido em um sinal digital para processamento posterior.

A ROM contém dados de calibração, o microprocessador correlaciona os dados recebidos com os dados de calibração, corrige-os e converte-os nas unidades de medida necessárias - assim, o erro associado à influência de vários fatores (desvio zero, influência da temperatura, etc.) compensado e a condição é avaliada simultaneamente com o transdutor primário, o que pode afetar a confiabilidade do resultado.

As informações obtidas como resultado do processamento são transmitidas por meio de uma interface de comunicação digital usando o protocolo do usuário. O usuário pode definir os limites de medição e outros parâmetros do sensor, bem como obter informações sobre o estado atual do sensor e os resultados das medições.

Os circuitos integrados modernos (sistemas em um chip) incluem, além de um microprocessador, memória e periféricos como conversores digital-analógico e analógico-digital de precisão, temporizadores, Ethernet, USB e controladores seriais. Exemplos de tais circuitos integrados incluem ADuC8xx da Analog Devices, AT91RM9200 da Atmel, MSC12xx da Texas Instruments.

Redes distribuídas de sensores inteligentes permitem monitoramento e controle em tempo real de parâmetros de equipamentos industriais complexos, onde os processos tecnológicos mudam de estado dinamicamente o tempo todo.

Não existe um padrão de rede único para sensores inteligentes e isso é um tipo de obstáculo para o desenvolvimento ativo de redes de sensores com e sem fio. No entanto, muitas interfaces são usadas hoje: RS-485, 4-20 mA, HART, IEEE-488, USB; trabalho em redes industriais: ProfiBus, CANbus, Fieldbus, LIN, DeviceNet, Modbus, Interbus.

Este estado de coisas levantou a questão da escolha dos fabricantes de sensores, uma vez que não é economicamente viável para cada protocolo de rede produzir um sensor separado com a mesma modificação. Enquanto isso, o surgimento do grupo de padrões IEEE 1451 "Padrões de Interface de Transdutor Inteligente" facilitou as condições, a interface entre o sensor e a rede é unificada. Os padrões são projetados para acelerar a adaptação - de sensores individuais a redes de sensores, vários subgrupos definem métodos de software e hardware para conectar sensores a uma rede.

Assim, duas classes de dispositivos são descritas nos padrões IEEE 1451.1 e IEEE 1451.2. O primeiro padrão define uma interface unificada para conectar sensores inteligentes à rede; essa é a especificação do módulo NCAP, que é uma espécie de ponte entre o módulo STIM do próprio sensor e a rede externa.

O segundo padrão especifica uma interface digital para conectar um módulo conversor inteligente STIM a um adaptador de rede. O conceito TEDS implica um passaporte eletrônico do sensor, pela possibilidade de sua auto-identificação na rede.TEDS inclui: data de fabricação, código do modelo, número de série, dados de calibração, data de calibração, unidades de medida. O resultado é um analógico plug and play para sensores e redes, fácil operação e substituição garantida. Muitos fabricantes de sensores inteligentes já suportam esses padrões.

O principal que a integração de sensores em rede proporciona é a possibilidade de acessar informações de medição por meio de software, independente do tipo de sensor e de como determinada rede está organizada. Acaba por ser uma rede que serve de ponte entre os sensores e o utilizador (computador), ajudando a resolver problemas tecnológicos.

Assim, um sistema de medição inteligente pode ser representado por três níveis: nível do sensor, nível da rede, nível do software. O primeiro nível é o nível do próprio sensor, um sensor com um protocolo de comunicação. O segundo nível é o nível da rede de sensores, a ponte entre o objeto do sensor e o processo de resolução de problemas.

O terceiro nível é o nível do software, que já implica na interação do sistema com o usuário. O software aqui pode ser completamente diferente, pois não está mais vinculado diretamente à interface digital dos sensores. Subníveis relacionados a subsistemas também são possíveis dentro do sistema.

Nos últimos anos, o desenvolvimento de sensores inteligentes tomou várias direções.

1. Novos métodos de medição que exigem computação poderosa dentro do sensor. Isso permitirá que os sensores sejam localizados fora do ambiente medido, aumentando assim a estabilidade das leituras e reduzindo as perdas operacionais. Os sensores não possuem partes móveis, o que melhora a confiabilidade e simplifica a manutenção.O design do objeto de medição não afeta a operação do sensor e a instalação fica mais barata.

2. Sensores sem fio são inegavelmente promissores. Objetos em movimento distribuídos no espaço requerem comunicação sem fio com os meios de sua automação, com controladores. Os dispositivos técnicos de rádio estão se tornando mais baratos, sua qualidade está aumentando, a comunicação sem fio costuma ser mais econômica que o cabo. Cada sensor pode transmitir informações em seu próprio intervalo de tempo (TDMA), em sua própria frequência (FDMA) ou com sua própria codificação (CDMA), finalmente Bluetooth.

3. Os sensores em miniatura podem ser incorporados em equipamentos industriais, e os equipamentos de automação se tornarão parte integrante do equipamento que executa o processo tecnológico, não uma adição externa. Um sensor com um volume de vários milímetros cúbicos medirá temperatura, pressão, umidade, etc., processará os dados e transmitirá as informações pela rede. A precisão e a qualidade dos instrumentos aumentarão.

4. A vantagem dos sensores multissensor é óbvia. Um conversor comum irá comparar e processar dados de vários sensores, ou seja, não vários sensores separados, mas um, mas multifuncional.

5. Finalmente, a inteligência dos sensores aumentará. Previsão de valor, poderoso processamento e análise de dados, autodiagnóstico completo, previsão de falhas, aconselhamento de manutenção, controle lógico e regulação.

Com o tempo, os sensores inteligentes se tornarão cada vez mais ferramentas de automação multifuncionais, para as quais até o próprio termo "sensor" se tornará incompleto e meramente condicional.