Ciągle więcej niż jeden sposób na plug-and-play

Zadanie: wziąć czujnik, połączyć z aparaturą elektroniczną, a następnie gromadzić dane: przy czym należy dokonywać automatycznej kalibracji czujnika oraz aparatury.

Problem: niemal każdy czujnik nie jest w pełni kompatybilny z aparaturą pomiarową, do której jest podłączony. 

 Podstawowa architektura TEDS obsługuje różnego rodzaju dane wraz z metodami pobierania ich z baz danych

Czujnik to nic innego jak przetwornik, zamieniający parametry mechaniczne lub środowiskowe na sygnały elektryczne. Sygnały te następnie przesyłane są przez elektroniczne układy przygotowujące je (np. przeskalowujące) do postaci użytecznej pomiarowo, tzn. wyskalowanej w jednostkach fizycznych. Aby zapewnić prawidłowe działanie, wzmocnienia wprowadzone przez czujnik oraz elektroniczną aparaturę pomiarową muszą zostać wyznaczone w drodze procedury kalibracji.

Dla osiągnięcia większej dokładności czujniki i aparatura dobierane są parami, a kalibracja wzmocnienia odbywa się dla całego zakresu pracy. Jakkolwiek zwykle procedura kalibracji przeprowadzana jest osobno dla czujnika, a osobno dla zastosowanej aparatury.

Producenci czujników informują o wartościach wzmocnień w specjalnych certyfikatach kalibracji, podczas gdy producenci aparatury pomiarowej kompensują wartości tychże wzmocnień w układach elektronicznych swoich produktów. Współczynniki wzmocnień wprowadzane są z użyciem skomputeryzowanego interfejsu. Aby proces ten zautomatyzować, produkuje się coraz częściej aparaturę, umożliwiającą odczyt (pobieranie) odpowiednich danych (wartości wzmocnienia kalibrującego czujnik) w momencie podłączenia czujnika do aparatury pomiarowej. 

System wirtualnych identyfikatorów TEDS informuje komputer PC o konieczności pobrania informacji z bazy danych, a następnie przełącza go w tryb akwizycji danych 

Wykorzystanie technologii TEDS

Technologia TEDS (z ang. Transducer Electronic Data Sheet – elektroniczne tablice parametrów przetwornika) zgodna jest ze specyfikacją IEEE 1451. Standard ten dostarcza funkcjonalności automatycznego wykrywania typu podłączonego do aparatury pomiarowej czujnika – wzmocnienia kalibracyjne odczytywane są automatycznie przez aparaturę. Standard TEDS 1451 to blisko 430 stron zaleceń, złożonych formatów szablonów danych, specyfikacji języka, jak również protokołów charakterystycznych dla aparatury kontrolno- -pomiarowej.

Opcje w ramach standardu TEDS różnią się sposobami przechowywania danych, tym jak dane są aktualizowane oraz wydobywane z bazy danych. W podstawowej architekturze TEDS dane przechowywane są w układzie elektronicznym, zamontowanym w jednej obudowie wraz z czujnikiem. Układ ten zawiera elektroniczny identyfikator oraz programowalną pamięć.

Aparatura zgodna ze standardem TEDS lub komputer zapisuje w czujniku dane kalibracyjne oraz związane z nimi inne informacje w pamięci układu scalonego w formacie zgodnym ze specyfikacją TEDS 1451.

Gdy czujnik taki jest podłączany do aparatury zgodnej ze standardem TEDS, jego dane kalibracyjne (wzmocnienia) są automatycznie odczytywane z układu scalonego i wpisywane w opcjach konfiguracyjnych aparatury pomiarowej. Dla zapewnienia prawidłowego funkcjonowania dostawcy czujników wpisują dane do pamięci układu scalonego, natomiast przed producentami aparatury pomiarowej stawia się zadanie interpretacji danych zapisanych zgodnie ze standardami TEDS. Gdy czujnik montowany jest do innego typu aparatury pomiarowej, procedura jest automatycznie powtarzana. Należy tutaj zauważyć, że czujnik oraz aparatura kalibrowane są niezależnie od siebie. 

System identyfikacji z użyciem TEDS zawiera mały procesor z elektroniczną etykietą umieszczoną w obudowie. Dane na temat czujnika przechowywane są w bazie danych 

Aparatura pomiarowa oparta na komputerach oraz kartach komputerów PC, działających zgodnie ze standardem TEDS, są obecnie dostępne na rynku. Nie wszystkie modele aparatury pomiarowej korzystające z technologii TEDS zapisują dane kalibracyjne w czujniku. Niektóre jedynie odczytują dane uprzednio zapisane w układzie scalonym. Inne z kolei dostarczają funkcji dla obsługi prostych zadań związanych z TEDS, jak np. odczytują numer seryjny produktu czy jego producenta, jednak nie dane mające związek z kalibracją. Systemy akwizycji danych oparte na technologii PC wykorzystują komputery do formatowania, interpretowania oraz tłumaczenia danych TEDS. Układ elektroniczny czasami nie mieści się w wybranych modelach obudów czujników z uwagi na ograniczenia miejsca czy wymogi środowiskowe lub też z uwagi na fakt niedopasowania do technologii TEDS. W takich przypadkach koncepcja TEDS jest wspierana przez wirtualny system TEDS. 

Identyfikacja z użyciem etykiet TEDS oraz cały elektroniczny interfejs umiejscowione są w jednej obudowie wraz z czujnikiem. Dane kalibracyjne czujnika przechowywane są wprost w aparaturze pomiarowej 

Wirtualne TEDS to nic innego jak elektronicznie przechowywane dane na temat czujników, zapisane w komputerze bądź w jakiejś komputerowej bazie danych, do której dostęp uzyskujemy za pomocą sieci Web, a następnie poprzez wgranie tychże danych do lokalnej maszyny. Pomimo tego, że automatyczne wykrywanie podłączonego czujnika nie jest obsługiwane, to dane na temat kalibracji są i tak dostępne w sposób elektroniczny. W układzie tego typu komputer PC wykorzystywany jest do wydobywania informacji z bazy danych, a następnie jako jednostka nadrzędna, prowadząca elektroniczną akwizycję danych. Architektura tego typu nie jest zbyt popularna w przypadku wbudowanych urządzeń pomiarowych.

System identyfikacji TEDS

Wirtualne systemy TEDS korzystają z komputerowych baz danych – w celu przechowywania danych o czujniku, dostarczanych użytkownikowi drogą elektroniczną; jednakże nie ma pożądanej funkcjonalności plugand-play. Dzięki systemowi identyfikacji TEDS niewielki scalony układ elektroniczny zawiera jedynie elektroniczną etykietę, umiejscowioną w ramach obudowy czujnika, podczas gdy dane na temat czujnika przechowywane są właśnie w komputerowej bazie danych. Zapewnia to co prawda funkcjonalność plug-and-play, jednak wymaga komputera PC do wprowadzania danych na temat czujnika. Architektura tego typu nie nadaje się do budowy aparatury pomiarowej czy też aparatury, niewykorzystującej komputerów.

Dzięki systemowi identyfikacji TEDS etykiety identyfikacyjne oraz interfejs elektroniczny zamontowane są w jednej i tej samej obudowie wraz z czujnikiem, podczas gdy dane kalibracyjne przechowywane są w aparaturze. Komputer PC nie jest koniecznym elementem wyposażenia. Użytkownik wprowadza dane kalibracyjne do urządzenia jednorazowo, po czym urządzenie samo już rozpoznaje podłączony czujnik, a dane potrzebne do jego kalibracji pobiera z pamięci wewnętrznej. Żaden komputer, baza danych czy dodatkowe połączenie nie jest w tym przypadku potrzebne – przy zachowaniu funkcjonalności plug-and-play. Czujnik można łączyć w parę z konkretnym modelem aparatury jako dokładnie skalibrowany system.

Ponieważ każda aparatura pomiarowa może przechowywać swoje własne dane kalibracyjne dla konkretnych modeli czujników, niewielkie rozbieżności wartości wzmocnień pomiędzy systemami pomiarowymi, składającymi się z czujników, okablowania oraz samej aparatury, są automatycznie kompensowane podczas procedury kalibracji. Liczba czujników możliwych do identyfikacji przez dany model aparatury ograniczona jest rozmiarem wewnętrznej pamięci, jednakże przy obecnych możliwościach przechowywania nawet ponad 25 zestawów parametrów można powiedzieć, że jakiekolwiek ograniczenia nie istnieją. Jeżeli elektroniczna etykieta nie może być przechowywana bezpośrednio w czujniku, może być umieszczona np. w osłonie okablowania bądź nawet jako niewielki układ elektroniczny zamontowany „na kablu” (jako fragment okablowania). Takie systemy są z powodzeniem stosowane w aparaturze pomiarowej.

ce


Autorem artykułu jest
dr Raymond B. Sepe, Jr.
z Electro Standards Laboratories,
www.ElectroStandards.com,
www.ieee.org.

Artykuł pod redakcją
dr. inż. Krzysztofa Pietrusewicza,
adiunkta w Instytucie Automatyki
Przemysłowej Politechniki
Szczecińskiej