Интеллектуальные датчики феррозондового типа

Понятие "интеллектуальный датчик" сложилось из различных словосочетаний и технических терминов в 50-х годах ХХ столетия, т. е. исторический период развития " smart sensor " составляет полвека. Однако единого определения интеллектуального датчика (ИД) как технического средства измерений в настоящее время не дано, а многочисленные существующие неоднозначны. Это объясняется тем, что глобальные технические открытия последних десятилетий, новые автоматизированные измерительные технологии умножают количество и разнообразие объектов измерения (ОИ), тем самым оказывают непрерывное влияние на развитие ИД: создают новые области применения; предъявляют новые, как правило, противоречивые требования; стимулируют проявление новых функций и свойств. Все это постоянно изменяет масштабы и формы представлений исследователей об ИД как о предмете современных и перспективных разработок.

С 09.1997 г. введен в действие Международный стандарт IEEE 1451 "Smart Transducer Interface Standards" [1]. В данном названии слово transducer является аналогом термина "измерительный преобразователь" (ИП), который определяется как "устройство, сочетающее функции восприятия проявлений ОИ с измерением, что обеспечивается содержанием измерительного тракта ИП". Техническое средство "сенсор", являясь составной частью измерительного тракта "transducer", исключено из названия стандарта IEEE 1451. Вместе с тем измерительный тракт ИП часто содержит элементы управления и логической обработки информационных сигналов и в таком случае термины "smart" и "transducer" если не синонимы, то во многом дублируют друг друга. Поэтому в текстах отечественной и иностранной литературы сино- нимом ИП является "smart sensor" [2]. Сенсорные стандарты IEEE 1451 определяют технические спецификации (ТС) и интерфейсы ИД, обеспечивая их интероперабельность (функциональную совместимость) как компонентов открытых систем. Стандарт IEEE 1451 дает определение ИД: smart sensor — датчик с интегрированной электроникой, выполняющий одну или несколько функций: логическую (собственно интеллектуальную); принятия решений (функцию управления); функцию двусторонней связи. Стандарт IEEE 1451 в соответствии с ТС дает определение архитектуры ИД [3]:

• 1.    Sensor — первичный преобразователь (ПП) измеряемой физической величины в информационный сигнал.

• 2.    Усилитель.

• 3.    Аналоговый мультиплексор (если ИД многоканальный).

• 4.    АЦП.

• 5.    Процессор.

• 6.    Память.

• 7.    ИМС последовательных коммуникаций.

• 8.    Служебные ФБ — функциональные блоки ( t º-компенсация и т. д.).

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Введение в действие Международного стандарта IEEE 1451, однако, не сократило количество определений ИД. Так, например: "ИД — средства восприятия и измерения, оснащенные микропроцессором", "ИД — измерительные устройства, выполняющие кроме обычных функций ряд других, существенно расширяющих возможности и улучшающих их технические характеристики" [2, 4]. Причины различий определений: а) многообразие ОИ; б) многообразие функций, "индивидуаль- ность" ИД; в) гибкость структуры ИД. Не менее важная причина разночтения определений в том, что они рождались не столько в университетских и академических кругах, сколько в инженерных и коммерческих: разработкой, производством и реализацией ИД занимается множество фирм (Intel Labs, Sandia N.L., Siemens, Fujitsu, Mitsubishi, Метран, Мприбор и ряд менее известных). Определение датчика как "интеллектуальный" способствует его коммерческому успеху (включение микропроцессора в структуру стандартного сенсора увеличивает его стоимость в 2÷10 раз), повышает статус фирмы-производителя [2]. Естественно, особую активность в конкурентной борьбе за принадлежность к ИД проявили разработчики датчиков прямого преобразования, у которых в (1) f = k =const:

y = f ( x ), (1)

где х — измеряемая физическая величина; y — выходной информационный сигнал сенсора; f — функция преобразования.

В датчиках такого типа интеллектуальный ресурс процессора в основном растрачивается на служебные и вспомогательные функции (п. 6–8 ТС). Так, например, при адаптации к работе в загрязненной среде оптического датчика, функция f "источник—приемник" которого в нормальных условиях линейна, 65 % интеллектуального ресурса процессора отводится на защиту и очистку функциональных элементов (в том числе механическую) [5].

Если функция f датчика нелинейна (например, у манометров при больших давлениях, когда f отображается логарифмической характеристикой), для его "интеллектуализации" — линеаризации f требуется всего 5 % ресурса процессора [5].

Существуют датчики, у которых f — сложная функция а) комплекса x- аргументов, б) представленная системой уравнений независимых аргументов, в) требующая для определения y данные дополнительных датчиков, г) случайно изменяющихся аргументов. Такие датчики по существу представляют собой измерительные функциональные преобразователи, необходимо требующие включения процессора в структуру сенсора, т. е. являются ИД — интеллектуальными датчиками по определению IEEE 1451 и по ТС п.1, 3–8.

Типичным представителем ИД является гироскопический датчик. Функция преобразования всего лишь одного из трех директивных углов определяется, как

A                .      • Z / А /X . to* t + AX ,

A = ^ + arctg sin(фo - Аф) • tg----2----+ sin AX

+--, cosф0 • sin(^-1 + AX)

где: А — угол азимута между приборной осью Y и плоскостью географического меридиана; μ — угол между осью Y и линией узлов y (горизонтальная ось подвеса ротора гироскопа (РГ)); ω — угловая скорость вращения Земли; φ 0 — широта места установки гироориентатора; t — время движения гироскопического датчика, измеряемое с момента начальной выставки РГ; Δ φ , Δ λ — приращение координат по широте и долготе.

Очевидно, что для решения уравнения (2) гироскопический ИД требует ТС IEEE 1451 в полном объеме, более того, в гироскопический ИД необходимо поступают данные ω , t СГ , ∆φ , ∆λ по п. 8 ТС, чтобы решить (2) в п. 5. Следует отметить, что гироскопические ИД решают формулу (2) с 30-х годов XX века, когда МП не существовали.

Типичными представителями ИД являются магнитомодуляционные датчики, в частности феррозондового (ФЗ) типа. Известно, что у ФЗ как чувствительного элемента (ЧЭ) информационный сигнал сложной формы, т. е. представляет собой спектр f ∑ . Информационный сигнал содержит 4 информативных составляющих: амплитуду U 2 f , фазу, частоту 2 f , знак (+)/(–) вектора магнитного

Рис. 1. ФЗ как многоканальный ИД.

Uf — напряжение возбуждения ФЗ с частотой f; ОВ — обмотка возбуждения ФЗ; СО — сигнальная обмотка ФЗ; ОЧ ФЗ — ось чувствительности ФЗ; ИФ — избирательный фильтр частоты 2f; ФД — фазовый детектор; ЧД — частотный детектор; ОЗ — определитель знака; МП — микропроцессор; БОИ1(2, 3, 4) — блоки обработки и индикации; T — измеряемое магнитное воздействие; ФМС — ферромагнитный сердечник; f∑ — спектр информационного сигнала ФЗ; БОУ — блок обработки и управления воздействия. Следовательно, ЧЭ ФЗ — многоканальный преобразователь, в котором формирователем 4 информативных параметров является единый источник — сигнальная обмотка (СО) ФЗ (см. рис. 1).

Функция "анализатор спектра" решается феррозондовым ИД по схеме рис. 2. Феррозондовый ИД, включенный в режиме градиентомера по рис. 3, решает систему векторных уравнений

<

T = 0;

U 2 f = grad A ,

где T — вектор малого градиента, в частности нормальное магнитное поле Земли (НМПЗ); A — магнитная аномалия, вектор большого градиента; U _{2 f} — информационный сигнал градиентомера.

Система уравнений (3) решается ИД методом специальной организации ЧЭ ФЗ, когда особое включение ОВ и СО и расположение полуэлементов ДФМС по сравнению со схемой рис. 1 превращает их в ОВ и СО [6], т. е. МП в решении системы (3) участия не принимает.

Функция решения комплекса задач — алгоритмических и вычислительных — выполняется в мультисенсорных структурах феррозондовых ИД, когда 2 и более ФЗ образуют единый измерительный модуль, размещенный в общем корпусе ("измерительная платформа").

Элементами архитектуры ФЗ-измерительного модуля могут быть, согласно ТС п. 8 IEEE 1451 дополнительные ФБ, функции которых составляют неотъемлемую часть алгоритмической обработки информационных сигналов феррозондовых ЧЭ. Так, по схеме рис. 4 решается задача вычисления магнитного азимута (2-компонентный ФЗ-компас). Для выполнения функции Z = 0 применяется гравитационный ориентатор, автоматически удерживающий измерительную платформу ФЗ-компаса в плоскости горизонта. При этом ИД решает систему уравнений

■ Z=0;

< X = U 2_f • cos a; Y = U 'co ^s " sin a,

где Z — вертикальная составляющая МПЗ; U ₂ ^si _f ⁿ , U ₂ ^co _f ^s — информационные сигналы ортогональных ФЗ, размещенных на горизонтальной ( Z = 0) платформе; α — угол магнитного азимута; X , Y — горизонтальные составляющие МПЗ [7].

Мультипроцессорным ИД является 3-компонентный ФЗ ИД, в котором оси чувствительности трех ЧЭ ортогональны. В зависимости от назначения архитектура 3-компонентного ФЗ ИД может

Рис. 2. ФЗ ИД как анализатор спектра.

ИФ — избирательные фильтры; 2 f i — составляющие спектра f ∑ , где i = 1, … , n ; U f , ОВ, СО, ФМС, T , МП, БОИ — по рис. 1

Рис. 3. ФЗ ИД в режиме градиентомера.

ДФМС — дифференциальный ФМС; ОЧ ГРМ — ось чувствительности градиентомера; A — вектор магнитного воздействия большого градиента; T — вектор магнитного воздействия малого градиента (в частности, МПЗ); СО — обмотка возбуждения ГРМ; ОВ — сигнальная обмотка ГРМ; U f , ИФ, ФМС, МП, БОИ, БОУ — по рис. 1

Рис. 4. Двухкомпонентный ФЗ-компас.

ГО — гравитационный ориентатор; ФДА — феррозондовый датчик азимута; К — коммутатор аналоговых сигналов; ± U 2f . ± U co^s — информационные сигналы ФЗ; U f , ОВ, СО, ФМС, МП, БОИ, БОУ — по рис. 1

включать как вспомогательные ФБ, согласно п. 8 ТС IEEE 1451, так и источники дополнительных информационных сигналов по каналу последовательных коммуникаций, согласно п. 7 ТС IEEE 1451. Трехкомпонентный ФЗ ИД способен выполнять множество функций. Так, по формуле (5) решается функция вычисления магнитного α -азимута:

• —Ту - sin ф - T - cos ф

а = arctg ₇--------- X----^_JL ----г-------- . (5)

• [ T X - cos ф - T Y - sin ф ] - cos 0 + T Z • sin 6

где θ, φ — углы наклона и поворота измерительной платформы ФЗ ИД, данные о которых поступают в ИД извне от дополнительных датчиков, согласно п. 7, 8 ТС IEEE 1451 [8].

Функция вычисления модуля полного вектора магнитного воздействия, в частности T-вектора МПЗ, решается трехкомпонентным ФЗ по формуле i т=ViXi1+lYi2+iZi2 ■

где X , Y , Z — ортогональные составляющие вектора T . Функция выполняется без дополнительных ФБ в архитектуре ИД, а также вне зависимости от ориентации измерительной платформы ФЗ в пространстве [9].

Функция вычисления модуля A — аномалии вектора T МПЗ решается трехкомпонентным ФЗ по формуле

I Al = IT - IT ol .                         (7)

где |T ₀| = const — эквивалент. соответствующий уровню НМПЗ, содержащийся в памяти МП; T — текущее значение измеряемого МПЗ [10].

Таким образом, феррозондовые датчики являются высокоэффективными, многофункциональными средствами измерения, характеристики которых полностью соответствуют Международному стандарту IEEE 1451 и согласуются со всеми пунктами его технических спецификаций.

ВЫВОДЫ

• 1.    Неоднозначность определений "smart sensor" осложняет проектирование и внедрение прогрессивных измерительных и информационных технологий.

• 2.    Положения Международного стандарта IEEE 1451 способствуют систематизации понятий и определений отечественных и зарубежных интеллектуальных средств измерения.

• 3.    Уровень решаемых задач, многообразие объектов измерения, совокупность технических характеристик и функциональных возможностей определяют принадлежность феррозондовых датчиков к основному ряду современных и перспективных "smart sensors".