Коррекция ошибок в «интеллектуальных» датчиках

Особенностью калибровки датчиков является невоспроизводимость его моментальных значений, что обусловлено выходным шумом датчика и температурным гистерезисом. Температурный гистерезис является преобладающей составляющей погрешности и может составлять от 0,03% до 0,15% диапазона измеряемого сигнала. Воспроизводимые ошибки измерения в 100–500 раз больше, чем, невоспроизводимые ошибки и состоят в основном из нелинейности, температурных погрешностей и нестабильности параметров датчиков. Процесс калибровки включает изучение формы ошибок измерения, внесение формы ошибок в алгоритм коррекции и запоминание корректирующей информации для данного датчика.

Стандарт IEEE Р 1451 представил подход к калибровке и коррекции погрешностей на основе TEDS калибровок. TEDS калибровки содержат всю информацию, необходимую для программного обеспечения коррекции, а также информацию для отображения значений между АЦП (либо ЦАП) и значениями физических единиц, представленных в виде чисел с плавающей запятой. Другими словами программное обеспечение производит и коррекцию, и преобразование физических единиц. Например, TEDS калибровки могут определить, как преобразовывать значения с датчика давления и уже скорректированных значений термопары в температурно-компенсированное давление в Паскалях.

TEDS калибровки для одного преобразователя представляют функциональную взаимосвязь, как кусочно-полиномную функцию. Диапазон каждого из входных значений функции делится на один или более сегментов. Каждая ячейка ассоциирована с полиномом

, (8.1)

где переменные Х_к представляют данные с множества входов (со стороны преобразователя или уже скорректированные); D(k) – коэффициенты с плавающей запятой; функции С_ij…p и смешения Н_к сохраняются в TEDS калибровках.

При создании TEDS калибровок выбирают следующие параметры: число сегментов для каждого входа, степень полиномов и расположение границ сегментов. Выбор этих параметров связан с разработкой модели калибровки. Задача выбора довольно сложна и требует осторожности. Например, сегменты могут быть выбраны такими, чтобы быть эквивалентными уровням дискретизации значений преобразователя. Результат можно представить в виде таблицы поиска, время вычисления и ошибки аппроксимации которой минимизированы. Несмотря на это, требуется большой объем памяти.

К другим особенностям выбора относится выбор одной большой ячейки и выбор степени функции коррекции полинома. Оценка полинома высокой степени вызывает ряд дополнительных проблем, частично связанных с точностью коэффициентов, определенных стандартом IEEE Р 1451.2. Высокостепенные полиномы не лучший выбор, но для некоторых достаточно широко распространенных задач они необходимы.

Основными параметрами при разработке модели коррекции являются точность, дешевизна и быстродействие. С повышением точности возможно замедление, а также и повышение цены. Функция коррекции должна быть непрерывной и гладкой в пределах границы ячейки.

Требования к калибровке «интеллектуальных» датчиков потребовало разработки специализированных САПР, позволяющих производить расчет и визуализацию проектирования TEDS коррекции в трех или более мерном пространстве для эффективного взаимодействия пользователей при отработке режимов оптимизации калибровки. Для примера рассмотрим ПО расчета и визуализации в процессе калибровки, разработанное компанией Atmos Engineering. Данное ПО обладает следующими возможностями:

- данные калибровок могут быть взяты с любого места в рабочем диапазоне;

- данные могут быть просмотрены в двухмерном и трехмерном виде;

- одновременно могут просматриваться различные представления одних и тех же данных;

- множества данных могут быть отфильтрованы для добавления или исключения некоторого подмножества данных;

- трехмерное представление данных может быть повернуто и просмотрено под любым углом;

- на выходе генерируются совместимые со стандартом IEEE Р 1451.2 коэффициенты полиномов;

- выполняется расчет компенсации для малого количества точек данных;

- коэффициенты могут быть рассчитаны при наличии шумов измерения и гистерезиса;

- для калибровки датчиков могут использоваться настраиваемые методы оптимизации расчетов;

- может проводиться проверка соответствия производительности моделируемого датчика и реального датчика;

- оптимизируется компенсация на основе характеристик используемого устройства коррекции. Конечное разрешение компенсации включается в расчет.

Калибровка датчика разделяется на несколько шагов:

- проверка и функциональный тест;

- цикл измерений с накоплением данных;

- процесс проверки калибровки;

- моделирование полученных данных;

- расчет коэффициентов;

- проверка калибровки;

- программирование коэффициентов.

Рассмотрим пример реализации функции коррекции двух датчиков: давления и температуры. Для них полином функции коррекции будет иметь вид:

(8.2)

Примем смешения H₁=H₂=0 и D(1) и D(2) – степень входа Х_л, (т.е. самая высокая степень, в которую возведены [Х_n – Н_n] в любом члене многочлена.) равными 4,тогда можно записать:

Р=К₀+K₁·VP+К₂·VP²+K₃·VP³+K₅·VT+K₆·VP·VT+K₇·VP²·VT+K₈·VP³×

×VT+K₉·VT²+K₁₀·VP²·VT²+K₁₀·VP·VT²+K₁₂·VT³+K₄·VP·VT³+K₄·VT⁴, (8.3) где VP сигнал – оцифрованное напряжение с датчика давления, a VT сигнал – оцифрованный сигнал обратной связи от датчика температуры. Сигнал обратной связи температуры может быть извлечен из элемента датчика давления или получен непосредственно из отдельного датчика температуры.

За счет разбиения диапазона измерения на сегменты можно добиться уменьшения степени полинома и, следовательно, уменьшить расчетные издержки с сохранением точности функции коррекции, т.е. для 2-х сегментов:

, (8.4)

где b – граница сегмента

Такой полином коррекции хорошо подходит для компенсации полупроводникового датчика давления. Общие ошибки измерения при этом менее 0,1% шкалы измерения, в температурном диапазоне от минус 40°С до плюс 85°С.

8.9. Перспективы разработки и производства изделий
интеллектуальной микросенсорики в Республике Беларусь

В РБ работы по микросенсорам и микросистемным технологиям, в части разработки и организации производства датчиков с элементами обработки информации, получили интенсивное развитие при выполнении Государственной научно-технической программы «Белсенсор» (головное предприятие по программе – УII «Минский НИИ радиоматериалов» [119]. В результате выполнения этих работ подготовлено и освоено производство 12 новых технологий, 38 типов датчиков, 18 типов новых приборов и систем, 6 типов контрольно-метрологических изделий.

Внедрение разработанных датчиков, приборов и систем на их основе осуществлено на 17 предприятиях РБ, среди которых ОАО «Минский приборостроительный завод», завод «Эталон», завод «Измеритель», концерн «Планар», Пружанский завод радиодеталей, АО «Белмедпрепараты» и др.

На период 2000–2005 гг. в рамках ГНТП «Функциональная СВЧ-техника, оптоэлектроника и микросенсорика» представлена подпрограмма «Интеллектуальная микросенсорика». Подпрограмма структурно состоит из четырех разделов: материалы, технологии, микросенсоры и мехатронные устройства, метрологическое обеспечение.

Примеры реализации «интеллектуализации» датчиков

8.10.1. Датчик давления

Датчик давления МРХ2010 (рис. 8.6) фирмы Motorola предназначен для измерения низких давлений до 10 кПa [120].

Датчик поддерживает следующие функции интеллектуализации:

- различные режимы возбуждения датчика давления;

- программная автокалибровка;

- температурная компенсация; фильтрация шума, усреднение измерений;

- многократное измерение давления с возможностью устранения сбоев;

- программное управление питанием (проверка сбоя); последовательный интерфейс.

Для реализации данной функциональности используется внутренний 8-битовый микроконтроллер МС68НС705Р9. Данный датчик, по существу, является простейшим примером «интеллектуального» датчика с ограниченным набором функций, хотя даже при данной функциональности достигаются большие преимущества по сравнению с его обычным аналогом.

Другим подходом является использование «полуфабрикатов», своеобразных заготовок, обеспечивающих определенные функциональные возможности, но не являющиеся полнофункциональными «интеллектуальными» датчиками.

8.10.2. Датчик объема

2. Микропроцессорный датчик объема VG–61[121] с возможностью дистанционной регулировки чувствительности (рис. 8.7). Микроволновое излучение VG–61 проходит сквозь тонированные и бронированные стекла, причем на приличное расстояние. Кроме того, благодаря новому алгоритму ЦОС, этот сенсор не имеет ложных срабатываний. Изделие обладает энергонезависимой памятью установленных уровней срабатывания.

Основные технические особенности (табл. 8.1) и функциональные возможности:

- цифровой анализ входных воздействий;

- раздельная реакция на слабые и сильные возмущения;

- полуавтоматическая установка уровней срабатывания;

- энергонезависимая память установленных уровней срабатывания;

- световая индикация срабатывания;

- возможность дистанционной регулировки чувствительности.

Таблица 8.1

Основные технические характеристики датчика объема VG-61

Параметр	Значение параметра
Диапазон рабочего напряжения, В	10,5...15
Ток потребления в режиме охраны мА, не более
Тип выходных схем	открытый коллектор n-p-n
Длительность выходных сигналов, с:
–предупредительного уровня	0,3
–тревожного уровня
Максимальный выходной ток, мА, не более
Рабочий диапазон температур, °С	–40...+70

8.10.3. Датчик удара

Микропроцессорный датчик удара SG–202 (рис. 8.8)с полуавтоматической регулировкой чувствительности и возможностью дистанционной регулировки [122]. В отличие от одноуровневых извещателей этот сенсор способен передавать сигналы в блок управления в зависимости от силы удара. Микропроцессорный датчик удара SG–202 обладает полуавтоматической настройкой чувствительности и возможностью дистанционной регулировки. Благодаря цифровому анализу воздействий на кузов автомобиля этот датчик защищен от ложных срабатываний и провокаций со стороны угонщиков. Помимо этого, SG–202 невосприимчив к акустическим возмущениям и внешним силовым электромагнитным полям.

Основные технические особенности (табл. 8.2.) и функциональные возможности:

- цифровой анализ входных воздействий;

- раздельная реакция на слабые и сильные удары;

- полуавтоматическая установка уровней срабатывания;

- энергонезависимая память установленных уровней срабатывания;

- цифровая адаптация к фоновым шумам и вибрациям;

- невосприимчивость к акустическим возмущениям;

- невосприимчивость к внешним электромагнитным полям;

- световая индикация срабатывания;

- возможность дистанционной регулировки чувствительности.

Таблица 8.2

Основные технические характеристики датчика удара SG–202

Тип датчика	электретный конденсаторный микрофон
Диапазон рабочего напряжения, В	10,5...15
Ток потребления в режиме охраны, мА, не более
Тип выходных схем	открытый коллектор n-p-n
Длительность выходных сигналов, с:
– предупредительного уровня	0,3
– тревожного уровня
Максимальный выходной ток, мА, не более
Рабочий диапазон температур, °С	–40...+70

8.10.4. Датчик плотности

Интеллектуальный датчик плотности Kay–Ray 3680 (рис. 8.9) [123].

Он объединяет сцинтилляционный детектор с улучшенными характеристиками с мощью «интеллектуального» датчика во взрывобезопасном корпусе. Поскольку датчик не контактирует с измеряемой средой, то он не подвержен действию давления, вязкости, коррозийных или абразивных веществ. Это исключает необходимость модификации объекта установки и прекращения технологического процесса на время установки.

8.10.4.1. Принцип действия. В основе принципа действия интеллектуального датчика плотности Kay–Ray 3680 лежит технология, основанная на поглощении веществом γ-лучей, что дает возможность контроля изменения плотности вещества в режиме реального времени. Датчик плотности устанавливается на технологической трубе напротив выходного отверстия источника γ-излучения так, что γ-лучи, проходя через трубу, попадают на датчик. Интенсивность проходящего излучения обратно пропорциональна плотности материала находящегося в трубе.

Сцинтилляционный детектор, который находится в датчике, под воздействием γ-лучей излучает фотоны света, которые регистрируются фотоумножителем, работающим в режиме счета импульсов. Количество импульсов с выхода фотоумножителя прямо связано с интенсивностью прошедшего γ-излучения. Обработка, счет и масштабирование импульсов производится встроенным в датчик микропроцессором для получения информации о плотности материала в заданном технологическом режиме.

8.10.4.2. Особенности и преимущества:

- бесконтактный принцип действия обеспечивает применение в условиях наличия коррозийных веществ, высокого давления и температуры;

- интеграция датчика с детектором уменьшает стоимость установки и монтажа;

- точность до ±0,0001 г/см³;

- обладает влагостойкостью и противоударными свойствами;

- допустимый диапазон напряжений 90 – 250 В на переменном токе с частотой 50–60 Гц или 18 – 36 В на постоянном токе. В случае несанкционированного отключения от сети переменного тока прибор автоматически подключается к источнику питания постоянного тока;

- удобный для использования интерфейс на английском языке упрощает процедуру настройки и калибровки посредством HART коммуникатора;

- ПО, обеспечивающее самодиагностику и запись предыстории сигнала тревоги, снижает время необходимое на поиск и устранение неисправностей.

8.10.4.3. Точность. Kay–Ray 3680 использует методику сцинтилляционного детектирования и прецизионную компенсацию дрейфа для обеспечения измерения плотности. Дрейф, обусловленный распадом источника и температурой окружающей среды, пренебрежимо мал, что обеспечивает повышенную точность по сравнению с традиционными системами с использованием кристаллов йодида натрия. Компенсация дрейфа, в сочетании с использованием сцинтилляционного детектора, обеспечивает точность до ±0,0001 г/см³, в зависимости от области калибровки, эталонных данных и конфигурации системы.

8.10.4.4. Надежность. Конструкция Kay–Ray 3680 обеспечивает высокую надежность и долгий срок службы. Жесткий корпус (алюминиевый сплав, покрытый эпоксидной краской) защищает от воды и пыли. Внутренние отделения датчика являются автономными, что обеспечивает доступ к монтажным зажимам в полевых условиях, не подвергая электронную часть системы воздействию внешней среды. Электронные схемы нечувствительны к флуктуациям питающего напряжения в диапазоне, оговоренном техническими условиями. При перерывах в подаче питающего напряжения электронная схема сохраняет данные о конфигурации в постоянной памяти. При восстановлении подачи питания датчик восстанавливает работоспособность.

Электронные схемы датчика Kay–Ray 3680 автоматически подстраиваются практически к любому источнику питания переменного или постоянного тока и переключаются на дублирующий источник питания постоянного тока, когда последний имеется в наличии.

Встроенная в систему возможность адаптивного демпфирования позволяет быстро реагировать на изменения в технологическом процессе. Пользователи могут определять пороговую установку как процентное отношение полномасштабного выходного сигнала к постоянной времени быстрого затухания.

8.10.4.5. Характеристика передачи информации. Датчик Kay–Ray 3680 может работать в режиме запросов. Его можно сконфигурировать на месте, на удалении, или в помещении для контроля, используя либо коммуникатор HART, либо контрольную систему передачи информации с HART-совместимым интерфейсом. Подсказка в экранном режиме, обеспечиваемая HART- совместимым интерфейсом, помогает пользователю работать в режиме запросов и осуществлять конфигурацию. Связь с интерфейсом HART коммуникатора осуществляется через отдельный искробезопасный разъем или через аналоговый контур на 4 –20 мА.