Projekty ASFEU

Odolný senzorický systém do priemyselných prostredí s vysokými tlakmi, teplotami a vysokým stupnom elektromagnetického rušenia

Dňa 16.11.2010 sa úspešne začala realizácia projektu "Odolný senzorický systém do priemyselných prostredí s vysokými tlakmi, teplotami a vysokým stupnom elektromagnetického rušenia" v spolupráci so Ústavom informatiky Slovenskej akadémie vied, vďaka podpore od Agentúry Ministerstva školstva SR pre štrukturálne fondy EÚ a vďaka podpore od Európskej únie od Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Cieľom projektu je vytvoriť senzorický systém pre extrémne prostredia odolný do vysokých teplôt až 400ºC, do vysokých tlakov až 1000 bar a v prostrediach vysokých stupňov elektromagnetického rušenia. Dĺžka projektu je naplánovaná na 36 mesiacov, čo je optimálny čas na dosiahnutie zvoleného cieľa.

Projekt pozostáva zo štyroch hlavných aktivít a dvoch podporných aktivít, pričom na všetky aktivity bol vyčlenený NFP vo výške 475 855,47 €.

 

Konštrukcia odolného senzoru polohy

V rámci projektu Odolný senzorický systém do priemyselných prostredí s vysokými tlakmi, teplotami a vysokým stupnom elektromagnetického rušenia bol navrhnutý a plánuje sa konštrukcia odolného senzoru polohy založený na induktívnom princípe. Jeho geometria je prispôsobená tak, aby bol schopný odolávať extrémnym podmienkam vysokého tlaku a vysokej teploty. Medzi senzorom a centrálnou jednotkou je realizovaná signálna cesta odolná voči rušeniu a vhodná pre rozhranie vysokého a nízkeho tlaku. Vykonané merania ukázali dostatočnú presnosť, malú závislosť na teplote a tlaku a prakticky žiadny vplyv elektromagnetického rušenia na meranie.

 

Inklinometer

V tejto etape projektu sa výskumní pracovníci okrem iného zaoberali výskumom odmeriavania presnej polohy zariadenia pre prípadné vychyľovanie sa od zvislej osi, a to najmä pre korekciu polohy zariadenia. Pre tieto účely výskumní pracovníci venovali najmä skúmaniu MEMS (micro-electromechanical systems) komponentov - inklinometre, popr. Akcelerometre, ktoré by sa dali využiť v projektovom výskume a to najmä vďaka možnosti ich programovania a implementácie rôznych navrhnutých algoritmov na zlepšenie ich činnosti v prostrediach s vysokou teplotou, tlakom a vysokým stupňom elektromagnetického rušenia. Akcelerometre sú pomerne často používané komponenty a ich výber je dosť veľký, avšak hlavnou nevýhodou je, že ich výstup je väčšinou analógový a potrebuje na ďalšie spracovanie mikroprocesor s AD prevodníkom. Výstup je úmerný zrýchleniu, pričom jednoduchými filtračnými a výpočtovými metódami sa dá určiť aj inklinácia.  Integračné konštanty pre výpočet zrýchlenia a inklinácie môžu byť dlhšie, avšak pri uvažovanej rýchlosti pohybu vrtného zariadenia nepredstavujú problém. Bloková schéma akcelerometra je na nasledujúcom obrázku:

Najväčšou výhodou je, že údaje o inklinácii sú priamo dostupné prostredníctvom SPI komunikačného rozhrania, čím odpadá nutnosť použitia AD prevodníkov a výpočtového času mikroprocesora. Senzor je kalibrovaný už výrobcom (pri akcelerometroch sa kalibrácia musí zahrnúť do spracovania výstupného signálu), údaj o inklinácii je s rozlíšením 0,025° a údaj o akcelerácii s rozlíšením 0,244mg. Senzor dokonca obsahuje teplotný snímač a pomocné digitálne vstupy/výstupy a vstup na interný 12 bitový AD a DA prevodník. Obvod je plne konfigurovateľný cez rozhranie SPI a obsahuje aj periférie pre vlastnú diagnostiku, ktoré budú predmetom ďalšieho skúmania.

 

Meranie polohy a akcelerácie v extrémnych podmienkach

Experimenty s použitím inklinometra preukázali, že je možné dosiahnuť pomerne presné merania inklinácie od zvislej osi, avšak pre potreby určenia absolútnej polohy zariadenia je nevyhnutné zvážiť aj použitie gyroskopu v prevedení MEMS. Hlavnou výhodou oproti inklinometru je, že nie sú nijak citlivé na otrasy, čo je zrejmé z princípu ich činnosti, kedy je pomocou kapacitných väzieb snímaná poloha dvoch "závaží", takže otrasy a vibrácie sa navzájom rušia avšak natočenie o nejaký uhol je snímané a vyhodnotené obvodmi spracovania signálu priamo v takomto čipe.

Chladenie MEMS gyroskopu

Jediný problém je absencia vhodného MEMS gyroskopu na trhu pre pracovné teploty vyššie ako 105°C, čo sa však dá vyriešiť vhodným chladením, ktoré je v súčasnosti predmetom výskumu v ďalších projektových úlohách. Je preto nevyhnutné, aby bol takýto senzor umiestnený v ochrannej schránke spolu s chladiacim systémom a obvodmi napájania. Bloková schéma takéhoto senzora je na nasledujúcom obrázku.

 

Odolný senzor polohy

Odolný senzor polohy skúmaný v implementovanom projekte je určený do náročných podmienok okolia 1000 bar, 100°C. Tieto hodnoty sa očakávajú v drsných priemyselných prostrediach s vysokým stupňom elektromagnetického rušenia. Robustnosť senzora voči týmto vplyvom je zaručená použitím vysokopevnostného materiálu a takisto fyzikálnym princípom samotného senzora. Laboratórny model senzora bol navrhnutý a je konštruovaný tak, aby cez otvory v komore senzora mohla vniknúť kvapalina, v ktorej je senzor ponorený a zaplaviť ho zvnútra, vďaka čomu dochádza k vyrovnaniu tlakov. Funkčnými testami pri horeuvedených podmienkach v špeciálnej vysokotlakovej komore bol preukázaný minimálny vplyv zmien prostredia na charakteristiku senzora. Dáta zo senzora sú posielané po prenosovej ceste do spracovateľskej jednotky, pričom výskumníci skúmajú tiež algoritmy, potrebné na filtráciu rušivých vplyvov.

Odstránenie rušenia na mikroprocesoroch

Elektromagnetické rušenie je najzávažnejší problém pri návrhu a funkcii riadenia a všeobecne plošných spojov v zarušenom prostredí vysokých tlakov, teplôt a elektromagnetických polí. Z tohto dôvodu sme sa zaoberali pri návrhu riadiaceho systému samotným výberom komponentov, ktoré sú výrobcom tienené s obvodmi s vysokoimúnnou logikou. Na vstup boli navrhnutý viacúrovňový RC filter. Súčasťou bol aj návrh watchdogu na okruh pre každý mikroprocesor, čím sa znížila možnosť ovplyvnenia samotného jadra a výpočtovej kapacity. Výsledkom našej výskumnej aktivity bolo odstránenie rušenia na mikroprocesore a kľúčových komponentoch plošného spoja. Rovnako sme sa zaoberali aj zamedzenie šírenia rušenia induktanciou zo zeme a minimalizáciou slučiek v blízkosti citlivých okruhov.

Odstránenie rušenia v kábloch

V ďaľšom kroku sme sa venovali odstáneniu samotnej indukcie na káblovom vedení. Bol upravený návrh káblov, aby sa odstránil paralelný chod signálnych a silových káblov. Na zatienenie káblov boli použité špeciálne celokovové objímky. Na vstupnej a výstupnej strane boli navrhnuté filtre signálu, rovnako ako pri spínačoch. Po aplikácii týchto úprav bola osciloskopicky premeraný výstupný signál a následne boli všetky časti vedenia znovu optimalizované čím sme dostali čistý výstupný signál.

Podporujeme výskumné aktivity na Slovensku/ Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ.

Vyhľadávanie

© 2010 Všetky práva vyhradené.