Публикации Развитие интеллектуальных датчиков

Всероссийский сборник статей и публикаций института развития образования, повышения квалификации и переподготовки.

Язык издания: русский
Периодичность: ежедневно
Вид издания: сборник
Версия издания: электронное сетевое
Публикация: Развитие интеллектуальных датчиков
Автор: Бехешти Руслан Хамидрезаевич

РАЗВИТИЕ ИНТЕЛЛЕТУАЬНЫХ ДАТЧИКОВАвторы: Самохин Г.Н. преподаватель ИВТ им. Г.Я. Седова г. Ростов на Дону Бехешти Р.Х. курсант 4 – го курса электромеханического отделения Измерительные датчики достигают своего назначения благодаря тесному взаимодействию структуры датчика, технологии производства и алгоритмов обработки сигналов. Эти характеристики могут быть значительно улучшены благодаря использованию новых технологий или сложных методов обработки сигналов. Наилучших показателей можно добиться путем комбинирования тех и других. При использовании новых технологий и методов обработки сигналов на известных принципах измерения создаются датчики с лучшими свойствами. К новым технологиям относятся микроэлектромеханические системы (МЭМС), беспроводные технологии и «интеллектуальные» датчики. Их развитие связано с революцией в области цифровых интегральных схем (ИС) и систем на одном кристалле. Расширению беспроводных технологий способствует наличие мощных средств обработки, таких как цифровые сигнальные процессоры, средства аналоговой обработки в наборы микросхем и даже непосредственно в ИС. Реализация указанных технологий в одном датчике делает его «интеллектуальным». В настоящем МЭМС – устройстве размещают на кремнии компоненты электронной схемы и механические структуры. Это позволяет включить сенсор, буферы, преобразователи сигналов, логические схемы и микропроцессоры в одну ИС. МЭМС – сенсоры чрезвычайно компактны, недороги и обладают значительными вычислительными ресурсами. Ядром сенсорной системы является чувствительный элемент (сенсор), выходной сигнал которого изменяется в зависимости от измеряемой величины (рис. 1.). В блоке предварительной обработки выходной сигнал чувствительного элемента преобразуется в адекватный с помощью методов аналогового преобразования сигналов. Разрабатываемые средства цифровой обработки сигналов представляют новые возможности для улучшения свойств датчика. Например, учет производственных отклонений, вызванных флуктуациями в процессе изготовления приборов, становится простой задачей, которая может быть решена в ходе конфигурирования системы. Важным компонентом системы считают интерфейс связи с системами более высокого уровня (например шинный интерфейс). В структуру датчиков встраивают возможности, такие как самоконтроль или самокалибровка. 1Такие системы обладают множеством достоинств, в плане повышения надежности и снижения затрат на установку и техобслуживание. Датчик с самоконтролем отличается от обычного благодаря дополнительным знаниям о непосредственно измеряемой информации (рис. 2.). Состояние системы можно контролировать путем сравнения реального выхода с ожидаемой величиной, полученной на основе заранее известных соотношений. Благодаря самокалибровке датчика можно учесть эффекты старения и в результате гарантировать определенные пределы точности измерения на протяжении всего времени работы прибора. Датчик с встроенными функциями самокалибровки и самоконтроля не требует систематических проверок. В последние годы в результате новых технологий на флот поступают «интеллектуальные» датчики предусматривающие перенос функций преобразования и анализа сигнала ближе к точке измерения. Стандарт IEEE 1451 позволяет определить специальные интерфейсы связи между датчиками и программами доступа к сенсорной информации. Это позволяет выпускать сенсоры с одним типом цифрового интерфейса для всех цифровых сетей. В системном программировании можно создавать стандартные модели доступа к сенсорным данным, которые будут использоваться при создании справочных библиотек для поддержки сетевых разработок. Часть стандарта касается информации, загружаемой в сенсор, - так называемой Электронной спецификации датчика. Это позволяет «интеллектуальным» датчикам создавать и переходить на новые алгоритмы анализа и обработки информации. Такие датчики объединяют в распределенные сети, где каждый датчик проверяет надежность собственной работы и передает в центральную базу данных о выявленных внутри себя дефектах. Резервные приборы автоматически подключаются для измерений, соответствующих местоположению и типу оборудования. Компьютер, хранящий центральную базу данных, может перепрограммировать любой датчик, изменяя процесс измерения и анализа в зависимости от текущего состояния контролируемого оборудования. Датчики старого типа также можно использовать в одной сети с «интеллектуальными» - стандарт IEEE 1451 допускает такие смешанные сети. Важным элементом автоматических систем при преобразовании физических величин являются первичные измерительные преобразователи (ИП). Осуществляется интеграция микропроцессоров в первичные электронные измерительные блоки. 2Применение массового микропроцессорной техники создало преобразователи нового типа. Интеграция первичных ИП заключается в объединении в одной интегральной схеме, помимо чувствительного элемента, также усилителей и подстроечных элементов, используемых для балансировки, градуировки и термокомпенсации. В зависимости оттипа чувствительного элемента и схемы его включения такой преобразователь выполняется в виде гибридной или интегральной микросхемы. «Интеллектуальный» датчик содержит в одном корпусе преобразователь и микропроцессор, что позволяет выполнить основные опрации по преобразованию и повышению достоверности измерительной информации в месте её возникновения. Использование ИД дает возможность по – новому подойти к распределению функций между основными элементами систем контроля и управления, освободить центральный процессор от необходимости обработки больших объемов информации. Новейшие средства микроэлектроники позволили в ИД интегрировать помимо измерительных и подстроечных элементов, включить в датчики аналого – цифровые преобразователи и микропроцессоры. Объединение цифровых схем и микропроцессоров в одном устройстве производит не только усиление и коррекцию, но и часть обработки информации в самом датчике. ИД может не только контролировать измеряемые величины, но и осуществлять их оценку, коррекцию по определенным критериям, контролировать свои собственные характеристики, работать в режиме диалога с центральной системой управления, принимать команды, передавать измеряемые значения в цифровой форме, а также аварийные сообщения. Вот почему датчики со встроенными вычислительными средствами принято называть интеллектуальными, учитывая многообразие их функций, возможности самоконтроля и двухстороннего обмена информацией с системой управления. ИД позволяет обеспечить либо выполнение соответствующих функций, повышающих информативность выходного сигнала до необходимого уровня, либо формирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большого количества результатов измерений. Характеристики интеллектуальных ИП существенно выше характеристик датчиков в традиционном исполнении. Это связано с тем, что ИД не просто датчик, а совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала первичного чувствительного элемента по определенному алгоритму. Технические средства обработки информации перемещаются непосредственно к датчику, что логически оправдано тем, что каждый шаг обработки измерительного сигнала вдали от объекта измерения связан с увеличением погрешности измерения. ИД имеет возможность согласования измерительного тракта с источником сигнала по чувствительности, динамическому диапазону, избирательности и подавлению помех различного вида. ИД адаптирует свои параметры к внешним факторам и условиям, обеспечивает автоматический самоконтроль функционирования, осуществляет операции юстировки и тарировки, производит коррекцию погрешностей. В автоматических системах управления и контроля ИД выполняет следующие основные функциональные задачи:- преобразование входного сигнала в сигнал требуемого вида с воспроизводимой функциональной связью между ними;3- преобразование полученного сигнала в форму, обеспечивающую помехозащищенную передачу к устройству обработки данных по каналу связи;- избирательную регистрацию и предварительную обработку выходного сигнала;- подавление существенных для решения данной задачи помех (возмущающих воздействий);- реагирования на изменяющиеся условия в точках контроля;- обеспечение и контроль собственного функционирования. Эти функциональные задачи определяют те интеллектуальные свойства, которыми должен обладать датчик:- способность к самонастройке, изменению чувствительности и динамических характеристик в соответствии с диапазоном и скоростью изменения входной величины, а также подавлению помех;- адаптивность к условиям окружающей среды;- способность датчика или системы датчиков к самодиагностике, включая коррекцию ошибок. Исходя из этого можно дать следующее определение интеллектуального датчика: «Датчик обладающий способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среде, а также способностью контролировать ошибки измерений и представляющий собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники». ИД представляет собой конструктивно объединенную совокупность ИП и электронного компьютера, размещенную в зоне действия измеряемых величин, воспринимающую заключенную в объекте информацию о размере этих величин, обеспечивающую автоматическое согласование собственных параметров с параметрами измеряемых величин и внешними условиями, а также автоматический контроль собственного функционирования и компенсацию отдельных составляющих погрешностей. Микропроцессоры формируют автономную базу данных ИД, хранят её в энергозащищенном запоминающем устройстве и загружают ИП с момента его установки. Они обеспечивают двухстороннюю связь с последующими элементами средств измерений и осуществляют основные интеллектуальные свойства, реализуют функции воспоиятия входной величины, усиления, фильтрации, дистанционной настройки, линеаризации измерения пределов, частоты опроса и адресации, учитывают измерения влияющих величин калибровки и самодиагностики. Структурная схема ИД зависит от схем преобразователей, входящих в состав датчика. На рис. 3 представлена развернутая структурная схема ИД.41 – первый и второй преобразователи с фильтрами; 2 – источник питания ячеек памяти и электронных блоков; 3 – мультиплексор; 4 – блок управления маршрутами пересылки данных; 5 – блок определения отношения сигнал / шум; 6 - блок регулировки отношения сигнал / шум; 7 – усилитель; 8 – блок автоматической регулировки усиления (АРУ); 9 – аналого – цифровой преобразователь (АЦП); 10 – внутренняя шина датчика; 11 – программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) для хранения данных идентификации, коэффициентов калибровки, предыстории изменения операций во времени; 12 – ППЗУ для хранения программ и другой информации; 13 – память с произвольной выборкой; 14 – микропроцессор; 15 – связной интерфейс (последовательный или параллельный); 16 – портативный пульт управления; 17 – коммуникационная шина или сеть.5