Интеллектуальные датчики

Введение

Одной из наиболее важных проблем, возникающих при создании и эксплуатации судовых технических систем, является обеспечение требуемого качества и надежности управления в условиях возмущающих факторов, к которым относятся изменения параметров регулируемого процесса и среды функционирования системы.

Для управления сложными динамическими объектами используются методы и технологии искусственного интеллекта как средства борьбы с неопределенностью внешней среды.

Бурное развитие интегральной схемотехники привело к созданию принципиально новых измерительных преобразователей-интеллектуальных датчиков, содержащих в одном корпусе преобразователь и микропроцессор, что позволяет выполнять основные операции по преобразованию и повышению достоверности измерительной информации в месте ее возникновения.

Использование интеллектуальных датчиков (ИД) дает возможность по-новому подойти к распределению функций между основными элементами систем контроля и управления, в частности освободить центральный процессор от необходимости обработки больших объемов первичной информации.

ИД позволяет обеспечить выполнение соответствующих функций, повышающих информативность выходного сигнала, формирование потока данных с необходимой достоверностью на основе анализа достаточно большого числа результатов отдельных, относительно недостоверных измерителей.

ИД представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих отображение свойств объекта контроля или управления в виде некоторой структуры данных, формируемых в результате обработки выходного сигнала измерительного преобразователя по определенному алгоритму.

Можно дать следующее определение интеллектуального датчика: это датчик, обладающий способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среды, а также способностью контролировать свои функции, корректировать ошибки измерений.

Интеллектуальный датчик представляет собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники.

Использование микропроцессоров и однокристальных микро-ЭВМ непосредственно в составе датчиков обеспечивает возможность улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик.

Одним из основных принципов интеллектуального подхода к созданию исполнительных механизмов нового поколения заключается в переносе функциональной нагрузки от механических узлов к интеллектуальным (электронным, компьютерным и информационным) компонентам, которые легко перепрограммируются под новые задачи.

Для реализации интеллектуальных ИМ используются четыре основных функциональных блока:

•  информационно-электрический функциональный преобразователь (ФП), включающий в себя контроллер управления движением и силовой электрический преобразователь;

•  электромеханический ФП, включающий в себя электродвигатель и механическое передаточное устройство;

•  электро-информационный ФП, стоящий в линии обратной связи ИМ и включающий в себя датчики напряжения и тока силового преобразователя;

•  механико-информационный ФП, стоящий в линии обратной связи ИМ и включающий в себя датчики перемещения, частоты вращения, момента, силы.

Из выше сказанного следует, что при использовании новых технологий и методов обработки сигналов на хорошо известных принципах измерения создаются датчики со значительно лучшими свойствами.

Раздел 1. Понятие интеллектуального датчика. Принцип работы. Требования PC к интеллектуальным датчикам

1.1 Понятие об интеллектуальных датчиках

Новейшие средства микроэлектроники позволили помимо измерительных и подстроечных элементов интегрировать в датчики аналого-цифровые преобразователи и микропроцессоры, по-новому подойдя к проблеме распределения функций между элементами систем контроля и управления.

Объединение цифровых схем и микропроцессоров в одном устройстве позволяет производить не только усиление и коррекцию, но и часть обработки информации в самом датчике.

Такие интегральные датчики могут 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 измеренные значения в цифровой форме, а также аварийные сообщения.

В отличие от интегральных датчиков, в которых на базе новых технологий осуществляется объединение чувствительных элементов со схемами их включения, а также линеаризация характеристик и термокомпенсация, датчики с встроенными вычислительными средствами принято называть интеллектуальными, учитывая многообразие их функций, возможности самоконтроля и двустороннего обмена информацией с системой управления.

Интеллектуальный датчик в силу особенностей своей структуры и расширенных функциональных возможностей 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 отдельных, относительно недостоверных измерений. В результате реальные метрологические характеристики интеллектуальных ИП оказываются существенно выше характеристик датчиков в традиционном исполнении. Это связано с тем, что интеллектуальный датчик (ИД) является не просто датчиком, а представляет собой 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.

Помещение технических средств обработки информации непосредственно к датчику логически оправдано тем, что каждый шаг обработки измерительного сигнала вдали от объекта измерения связан с увеличением погрешности измерения. В данном случае уместно заметить, что, интеллектуальный датчик имеет возможность согласования измерительного тракта с источником сигнала по чувствительности, динамическому диапазону, избирательности и подавлению помех различного вида. Он 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 интеллектуальные датчики выполняют следующие основные функциональные задачи:

-преобразование входного сигнала в сигнал требуемого вида с воспроизводимой функциональной связью между ними;

-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);

-реагирование на изменяющиеся условия в точках контроля;

-обеспечение и контроль собственного функционирования.

Эти задачи предопределяют те интеллектуальные свойства, которыми должен обладать датчик, а именно: -способность к самонастройке , т.е. изменению чувствительности и динамических характеристик в соответствии с диапазоном и скоростью изменения выходной 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- это датчик, обладающий способностью автоматической адаптации к источнику сигнала и окружающей среде, а также способностью контролировать свои функции, корректировать ошибки измерений, и представляющий собой электронное устройство, основанное на объединении чувствительных элементов, схем преобразования сигналов и средств микропроцессорной техники».

Интеллектуальный датчик представляет 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 составляющий погрешностей.

Структурные схемы интеллектуальных датчиков.

Структурная схема ИД зависит от структурных схем измерительных преобразователей, входящих в сосшв .датчика,

Ни рисЛ .ia представлено функциональная схема ИД, соотие-иггвующая структурной схеме датчика прямого преобразования. На рис. 1-1 а введенм следующие обозначения:

·  первичный измерительный преобразователь с неэлектрическим входным сигналом

·  промежуточный измерительный преобразователь.;

·  электронный блок подготовки и первичной обработки измерительного преобразователя;

·  аналого-цифровой преобразователь;

·  источник питания;

·  микро-ЭВМ:

·  интерфейс.

Выходной сигнал первичного МП может непосрсдствено преобразоваться в цифровую форму. Перличиый ИП может быть объединен с аналого-цифровым преобразователем.

Соответствующая структура ИД представлена на рис. 1.1б, где 1 - первичный ИП; 2 -аналого-цифровой преобразователь; 3 - устройство выборки и храпения; 4 - кодирующее устройство; 5-источник питания; 6- микро-ЭВМ; 7 - интерфейс.

Для дискретных измерительных сигналов обычно применяетется более простая структура ИД, которая отличается несколько меньшими аппаратными затратами (см. Рис. 1.1 в, где 1 – чувствительный элемент; 2 - преобразователь и формировитнль счетного сигнала; 3 - блок формировании нормированных электрических импульсов; 4 -счетчик; 5 - микро-ЭВМ;

6 - интерфейс). Для связи ИД, реал читанных согласно структурным схемам на рис. 1.1 с внешними блоками и управляющей ЭВМ обычно используются последовательные стандартные интерфейсы различных типов.

Развернутая структурная схема ИД представлена на рис.1.2, где 1 - первый и второй преобразователи с фильтрами; 2 - источник питания ячеек помята и электронных блоков; 3 - мультиплексор; 4 - блок управления маршрутами пересылки данных; 5 - блок определения отношения сигнал/шум; 6 - блок регулирования отношения сигнал/шум; 7 -усилитель; 8 - блок управления усилением (АРУ); 9 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); Ю - внутренняя шина датчика; 11 - программируемое постоянное запоминающее устройство (ПШУ) для хранения данных идентификации, коэффициентов калибровки, предыстории изменения операций во времени и др.; 12 - ППЗУ для хранения пр01рамм 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.

Метрологические характеристики интеллектуальных датчиков

Можно указать на следующие особенности использования ИД по сравнению с традиционными датчиками.

Точность измерений зависит от внутренних погрешностей ИП (нелинейности, гистерезиса, недостаточной повторяемости), внешних условий, точности калибровки, степени воспроизводимости результатов, местоположения значения измеряемой величины в диапазоне измерения, точности, обеспечиваемой линиями передачи, приема и обработки сигнала.

Влияние этих фактором приводит к тому, что точность датчики класса 0,25% в реальных условиях составляет всею 1%. Однако точность измерений существенно повышается за счет внутренних вычислений, которые может выполнять ИД. Алгоритмы улучшения статических характеристик ВД позволяют производить коррекцию начального смещения и крутизны для строи» линейных статических характеристик, корректировку масштаба измерительного тракта, линеаризацию статических характеристик табличным методом, аппроксимацию с помошью полиномов, интерполяцию и т.д.

Благодаря возможностям самонастройки датчик выбирает наилучший диапазон измерения и посылает соответствующую информацию на верхний иерархический уровень. В случае выхода за границы диапазона измерений подается аварийный или предупредительный сигнал.

В ИД возможна коррекция влияния помех и различных возмущений за счет реализации дифференциальных методов измерений программными способами, использования итерационных методов обработки для нелинейных зависимостей, применения адаптивных методов коррекции с формированием скорректированною :шачении по результатам последнего измерения.

Интслпектушп.ный датчик надежней традиционных, так как они позволяют:

·  упростить измерительный преобразователь, используя возможности его характеристик с помощью программного обеспечения, в том числе корректируя масштабы и внося поправки на температуру с помощью вычислительного устройспиц

·  увеличить количество однотипных смертельных ячеек; свести к минимуму аналоговую часть - источник неисправности _и искажений;

·  ввести системы автоматическою контроля старения комитентов, повышающие надежность датчика в целом (обнаружение перенапряжений, разогрева, избыточного статическою давления и т.п.);

·  контролировать состояние окружающей среды для обнаружения отклонений и исключения работы датчика нне установленных пределов; - контролировать работоспособность отдельных элементов и узлов, в том числе напряжения питания ни прецизионных элементах, уровни срабатывания, токи и напряжения смещения; • осуществлять автоматическую само калибровку по внешним или встроенным эталонным источникам.

Программное обеспечение позволяет антоматически управлять процессом измерений: включением/выключением, сменой диапазонов, переключением каналов измерений, частотой калибровки, порядком адресования. Выбор алгоритма, тест-сигналов, точек и времени измерений и др., а также выбор фильтров в соответствии с параметрами помех осуществляется в сооветствии с задачами измерений или по командам управляющей ЭВМ. Связь ИД с управляющей ЭВМ и другими периферийными устройствами реализуется программными способами по общей шине; передача сигналов осуществляется в режимах квитирования, с прерыванием и контролем программных средств, с последовательным и параллельным опросом, п режиме передачи и приема сигналом управления. ИД позволяет обрабатывать результаты измерений с целью сжатия пересылаемой информации, реализуя контроль предельных значений, а также выполняя заданные математические и логические операции в соответствии с поставленной задачей измерения.

Интеллектуальные датчики обеспечивают доступ к внутренней информации, которая может быть использована в цепях диагностики и профилактического обслуживания. Датчик через портативный пульт или посредством дистанционного управления с верхнего иерархического уровня дает оператору сведения о: