CC BY
103
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ И УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ
УДК 621.317.7
А. У. Аналиева, Н. В. Громков, Е. А. Ломтев, П. Т. Харитонов
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ДЛЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ON-LINE ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
A. U. Analieva, N. V. Gromkov, E. A. Lomtev, P. T. Kharitonov
INTELLIGENT SENSORS OF PHYSICAL QUANTITIES FOR INTEGRATED ON-LINE INFORMATION SYSTEMS
Аннотация. Рассмотрены вопросы создания интеллектуальных микроэлектронных цифровых измерителей физических величин в миниатюрной конструкции с микромощным энергопотреблением и автономным энергопитанием от альтернативных источников энергии, интегрированных в информационно-измерительную систему, позволяющую в режиме on-line представлять пользователям средств мобильной связи информацию о состоянии окружающей среды с прогнозом метеопараметров дифференцированно к месту и времени. За счет совместной обработки информации со всех объектных модулей, расположенных в заданных квадратах местности с определенным шагом, обеспечиваются более точные сведения о прогнозе и состоянии погоды в любой конкретной точке контролируемой местности.
Abstract. In the article the questions of creation of intellectual microelectronic digital meters of physical quantities in miniature design with micro-power power consumption and Autonomous power from alternative energy sources, integrated in the information-measuring system (IMS), which allows on-line to provide users of mobile phone information on the state of the environment with the forecast of meteorological parameters differentially to the place and time. Due to joint processing of the information from all the object modules that are located in the specified squares areas with a certain step, provided more accurate information about the forecast and weather conditions at any specific point in the monitored area.
Ключевые слова: интеллектуальные датчики физических величин, температура, давление, влажность, информационно-измерительная система, окружающая среда, прогноз погоды.
Key words: intelligent sensors of physical quantities, temperature, pressure, humidity, information and measuring system, environment, weather forecast.
Современный уровень распространения мобильных средств связи открывает возможности применения интегрированных on-line информационных систем (ИИС) метеорологического [1], сейсмического [2], медицинского и радиационного контроля. Эти системы могут представлять пользователям средств мобильной связи информацию о состоянии окружающей среды с прогнозом метеопараметров дифференцированно к месту и времени. Например, ИИС
42
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
сейсмического и радиационного контроля необходимы службам МЧС для отслеживания радиационной обстановки и опережающего контроля землетрясений, ИИС медицинского контроля открывают перспективы повышения качества и оперативности медицинского обслуживания, а также контроля состояния людей в экстремальных ситуациях. Кроме того, имеют перспективу применения ИИС контроля и регистрации динамики различных природных и техногенных явлений - извержений вулканов, взрывов, наводнений и т.д.
Органами чувств этих интегрированных on-line информационных систем являются разнообразные датчики физических величин, метрологические и иные параметры которых фактически задают квалиметрические и метрологические характеристики всей системы. Применительно к современным ИИС, с учетом известного [1] определения, необходимо рассматривать датчики физических величин (ДФВ) как часть ИИС, представляющую собой конструктивную совокупность измерительных преобразователей, включающую преобразователь вида энергии сигнала в зоне действия влияющих факторов объекта в электрическую форму, удобную для прямой цифровой обработки компьютерными средствами ИИС. Из приведенных в табл. 1 известных видов выходных электрических сигналов датчиков предпочтителен выбор частоты как формы выходного сигнала ДФВ по ряду объективных обстоятельств:
- некритичность к воздействию электромагнитных помех;
- возможность формирования прямого цифрового кода измеряемой величины;
- малое время измерения с заданным пределом погрешности.
Таблица 1
Форма выходного электрического сигнала ДФВ Пределы выходного сигнала Единицы Помехо- Время однократного
измерения устойчивость измерения, с
Напряжение (амплитуда) 0-1; 1-99; 1-999 V Низкая 0,01-1
Ток 0-4; 4-20; 0,1-99 A Средняя 0.1-1
Низкая частота 103-106 Гц Высокая 0,001-1
Высокая частота 10-109 Гц Высокая 10-4-10-6
Обобщенная структура интегрированной on-line информационной системы коллективного пользования приведена на рис. 1.
Рис. 1. Общая структура интегрированной ИИС коллективного пользования
На заданном участке местности любой площади и конфигурации (или на подвижных объектах) размещены объектовые модули (ОМ), каждый в составе одного или нескольких ДФВ, модуля управления и приемопередатчика, связанного с общим для всех ОМ групповым приемопередатчиком (ГПП). ГПП подключен к блоку управления и обработки информации (БОИ), как получаемой от ОМ, так и поступающей от модуля ММС связи с сетью мобильной связи. Результаты обработки измерительной информации за тот или иной интервал времени могут накапливаться в блоке накопления информации (БНИ).
В зависимости от назначения системы число ОМ в ней может быть от двух до 104 и более. Так, например, для построения метеосистемы для Москвы и ее окрестностей в квадрате 50^40 км необходимы 22 тыс. ОМ (т = 160, п = 200), с шагом размещения на местности в 250 м. Эта ИИС сможет выдавать, по запросу пользователя мобильным телефоном, погодные условия, их прогноз и ретроспективу, в конкретном месте по указанным пользователем адресу и времени. За счет совместной обработки информации со всех ОМ обеспечиваются более точные сведения о прогнозе и о состоянии погоды в любой конкретной точке контролируемой местности.
В зависимости от специфики ИИС возможны различные варианты алгоритмов управления, в том числе:
- с последовательным опросом состояния ОМ;
- с периодическим [2] или спорадическим [3] запросом и передачей информации от определенного ОМ в сеть мобильной связи;
- с автоматической передачей информации от ОМ по программе, заложенной в его модуле управления.
Первый вариант часто используется в разного рода ИИС охранной сигнализации, когда, как правило, не требуется высокого быстродействия, вполне пригодны ДФВ с низкочастотным выходом.
К ИИС со спорадическим запросом и передачей информации относятся системы для пользователей мобильными телефонами, выдающими информацию, например, о состоянии и прогнозе погоды в той или иной точке местности, по запросу пользователя средством мобильной связи. По аналогичному алгоритму могут работать ИИС медицинского назначения.
В ИИС с автоматической передачей информации от ОМ, например в системах контроля динамики переходного процесса того или иного параметра контролируемого объекта, предпочтительно применение ДФВ с высокочастотным выходом [4-8]. Например, известный датчик перемещений с высокочастотным выходом [6] позволяет контролировать динамику срабатывания предохранительных клапанов высокого давления с периодичностью отсчета 10-5 с при погрешности квантования, не превышающей 1 % от значения измеряемого перемещения. Дополнительным преимуществом ДФВ с высокочастотным выходом является возможность прямой беспроводной передачи высокоуровневого выходного радиосигнала, модулированного по частоте измеряемой величиной [9].
Рассмотрим совместимость различных первичных преобразователей физических величин в электрический параметр с высокочастотным генератором, частота которого модулируется этим электрическим параметром. В табл. 2 представлены физические параметры, воспринимающие элементы и элементы применительно к ИИС метеопараметров, позволяющие преобразовать тот или иной метеорологический параметр в параметр электрический.
Таблица 2
Физический параметр Воспринимающий элемент Преобразователь ф. в. / эл. парам. Электрический параметр Пример применения
Атмосферное давление Упругая мембрана, анер. коробка ВЧ резонатор (деформация / резон. частота) Высокая резонансная частота [5]
Скорость ветра Пропеллер Синхронный электрический генератор Частота импульсов [10]
Нагретый терморезистор Термоанемометр Разность сопротивлений терморезисторов [11]
Освещенность Фоторезистор Фоторезистор Электрическое сопротивление [12]
Температура Терморезистор Терморезистор Электрическое сопротивление [13]
Азимут (угловые перемещения) Кодовая маска ВЧ резонатор Резонансная частота ВЧ резонатора [8]
Влажность Гигристор Гигристор Электрическое сопротивление [14]
Уровень акустических щумов Упругая мембрана ВЧ резонатор (деформация / резон. частота) Высокая резонансная частота [15]
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
Варианты преобразования электрического сопротивления в частоту предложены в известных работах [16-18]. В приведенных в табл. 2 примерах применения преобразователей физических величин использован универсальный метод табличных преобразований (МТП), впервые обоснованный 30 лет тому назад в работе [19]. Суть МТП состоит в формировании из выходного частотного сигнала ДФВ кода ячейки перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ), в которой записан прямой цифровой код измеряемой физической величины. МТП позволяет изменить идеологию повышения требований к технологическим допускам ДФВ на идеологию повышения временной стабильности их характеристик. Фактически ДФВ может иметь любую от образца к образцу, с отклонениями в любую сторону, математическую зависимость выходного сигнала от измеряемой величины, лишь бы эта зависимость была постоянной во времени. Систематические погрешности - гистерезис, влияние температуры, влажности и т.д. - легко дезавуируются при тарировке ДФВ, когда его характеристика заносится в ячейки ППЗУ с заданной, достаточно малой, дискретностью измеряемой величины. При всей привлекательности МТП он не получил развития в то время из-за высокой стоимости ППЗУ с требуемым объемом памяти в сотни мегабайтов. Современный уровень электронной базы и метрологии позволяет проектировать для массового производства доступные по цене и приемлемые по точности, габаритам и энергопотреблению интеллектуальные датчики со встроенной памятью и прямым цифровым кодом измеряемой величины на выходе.
На рис. 2 изображена для примера структурная схема устройства для измерения давления [20], в которой реализован МТП. При современном технологическом уровне возможно изготовление всей этой структуры в виде микрочипа, встроенного в конструкцию датчика.
Рис. 2. Структура измерителя давления с использованием МТП
44
Дифференциальный датчик давления с двумя автогенераторами 2 и 3 подключен выходами ко входу цифрового формирователя кода адреса (фактически - частотомера), реализованного на элементах 4-8. Сформированный код Ыя ячейки адреса подается на адресные входы регистра 9 и заносится в регистр по сигналу с элемента 10 задержки, в котором хранятся прямые цифровые коды измеряемого давления. Каждой комбинации частот/1 и/2 на выходах датчика соответствует свое значение кода измеряемой величины, которое извлекается на выходы ППЗУ 11 в шины 12 и через дешифратор 13 (или, как вариант, напрямую) выдается на регистратор (или, как вариант, на выходной разъем). В измерителях, реализующих МТП [11, 13, 14, 20], есть варианты компенсации температурной и других систематических погрешностей в процессе тарировки интеллектуальных ДФВ. Основой дифференциального датчика давления может служить известный датчик [5], функциональная схема которого приведена на рис. 3, а структура - на рис. 4.
Воспринимающим элементом давления Рс воздушной среды служит упругая мембрана 5, размещенная под защитной крышкой 3 и герметично закрепленная по контуру в верхней части 2 корпуса 1. Соосно с упругой мембраной 5 под ней размещен емкостный электрод 15, который в центре соединен с незаземленным выводом спирального ВЧ резонатора 7, выполненного на диэлектрической плате 4 и присоединенного к размещенному в электронном блоке 9 автогенератору 21 перемычками 10. С внутренней стороны крышки 3 нанесены терморезистор 11 и гигристор 12, присоединенные соответственно к автогенераторам 21 и 22 электронного бло-
ка 9. В составе электронного блока 9 предусмотрен опорный автогенератор 24, аналогичный автогенератору 21 для формирования опорной частоты/0 в канале измерения давления. На современном технологическом уровне микросхемотехники электронный блок может быть реализован в виде микрочипа, а габариты и масса трехпараметрового датчика на основе известного [5] обеспечены на уровне 020 х 8 мм и 0,025 кг соответственно.
Рис. 3. Функциональная схема датчика давления, температуры и влажности
Рис. 4. Структура датчика давления, температуры и влажности Заключение
Быстрый рост уровня микроэлектронной базы открывает возможности успешной реализации предложенных ранее перспективных научно-технических решений в области ДФВ для ИИС. Применение ВЧ датчиков, частотных преобразователей и МТП в составе ДФВ позволя-
46
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль
ет создавать интеллектуальные микроэлектронные цифровые измерители физических величин в миниатюрной конструкции с микромощным энергопотреблением и стоимостью, соизмеримой с ценой современных ДФВ для автомобильной техники, с более высокими метрологическими и квалиметрическими характеристиками. Фактически это новое направление научного, конструкторско-технологического развития и расширения сфер применения датчиковой аппаратуры для ИИС. В этом направлении подлежат разработке:
- метрологические основы, схемотехника и технология изготовления микрочипов высокостабильных ВЧ автогенераторов и преобразователей сопротивления и емкости в частоту;
- метрологические основы, схемотехника и технология изготовления частотно-цифровых микрочипов с прямым кодом измеряемой величины на выходе и с компенсацией систематических погрешностей датчиков;
- конструкции и технология изготовления интеллектуальных ДФВ со всеми функциями измерителя той или иной, одной или нескольких физических величин;
- технология и метрологические основы построения систем автоматической тарировки интеллектуальных ДФВ, использующих МТП в своей структуре;
- метрологические основы и идеология построения интегрированных ИИС нового поколения на основе интеллектуальных ДФВ.
Список литературы
1. Проектирование датчиков для измерения механических величин / под общ. ред. д.т.н., проф. Е. П. Осадчего. - М. : Машиностроение, 1979. - Гл. 1.
2. Заявка RU 2008102142 на изобретение. Способ и система индивидуального учета загрязнений окружающей среды, производимых техногенными объектами / П. Т. Харитонов. - 2009.
3. Аналиева, А. У. Интегрированная система on-line контроля метеоусловий на основе радиопередающих флюгеров / А. У. Аналиева, П. Т. Харитонов // Экология и ресурсо-, энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства : сб. ст. XI Меж-дунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2011. - С. 70-72.
4. Осадчий, Е. П. Высокочастотные датчики / Е. П. Осадчий, П. Т. Харитонов // Приборы и системы управления. - М., 1984. - С. 12-15.
5. А. с. 1566213 СССР. Частотный датчик давления / П. Т. Харитонов, С. В. Митрохин,
B. В. Куренчанин. - 1990.
6. Пат. 22969513 Российская Федерация. Датчик перемещений с высокочастотным выходом / Харитонов П. Т., Смородинов С. Н. - 2007.
7. Пат. 2385463 Российская Федерация. Дифференциальный частотный акселерометр / Харитонов П. Т. - 2010.
8. Пат. 2401461 Российская Федерация. Частотный датчик угловых перемещений / Харитонов П. Т. - 2010.
9. Аналиева, А. У. Интеллектуальные радиочастотные датчики / А. У. Аналиева, Ж. Б. Ше-гебаева, П. Т. Харитонов // Информационные и телекоммуникационные технологии: образование, наука, практика : тр. Междунар. науч.-практ. конф. - Алматы, 2012. - Т. 1. -
C. 175-177.
10. Пат. 2303785 Российская Федерация. Флюгер радиопередающий и приемное устройство для него / Харитонов П. Т. - 2007.
11. А. с. 1596987 СССР. Устройство для измерения скорости потоков жидкости и газа / П. Т. Харитонов. - 1990.
12. Фотодатчики и их применение. - URL: http://electrik.info
13. А. с. 1420716 СССР. Цифровой измеритель температуры и влажности / Харитонов П. Т. -1988.
14. А. с. 1567953 СССР. Цифровой измеритель влажности / Харитонов П. Т. - 1990.
15. А. с. 1300661 СССР. Электродинамический микрофон / Харитонов П. Т. - 1987.
16. Громков, Н. В. Интегрирующие развертывающие преобразователи параметров датчиков систем измерения, контроля и управления : моногр. / Н. В. Громков. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. - 193 с.
17. Частотные преобразователи для датчиков давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем : моногр. / В. А. Васильев, Н. В. Громков, А. Н. Головяшкин, С. А. Москалев ; под ред. д.т.н., проф. В. А. Васильева. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. -130 с.
18. Васильев, В. А. Частотные измерительные преобразователи для датчиков давления, устойчивых к воздействию температур / В. А. Васильев, Н. В. Громков // Датчики и системы. - 2012. - № 1. - С. 11-16.
19. Осадчий, Е. П. Методы обработки сигналов ВЧ резонаторных датчиков / Е. П. Осадчий, П. Т. Харитонов // Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления : сб. тез. докл. науч.-техн. сипм. - Пенза : ПДНТП, 1983. - С. 67.
20. А. с. 1379655 СССР. Устройство для измерения давления / Харитонов П. Т. - 1990.
Аналиева Ажар Уразбаевна
аспирант,
Пензенский государственный университет E-mail: azhara_1980@mail.ru
Харитонов Петр Тихонович
кандидат технических наук, вице-президент Российско-Казахстанского научно-исследовательского инжинирингового консорциума энергосберегающих и ноосферных технологий (Консорциум НИИКЭНТ) E-mail: ptaha443@mail.ru
Analieva Azhar Urazbaeva
postgraduate student, Penza State University
Gromkov Nikolay Valentinovich
doctor of technical sciences, professor of sub-department of information and measuring equipment, Penza State University
Lomtev Evgeniy Aleksandrovich
doctor of technical science, professor of sub-department of information and measuring equipment, Penza State University
Kharitonov Petr Tikhonovich
candidate of technical sciences, Vice-President of the Russian-Kazakhstan Research Engineering Consortium energy Saving and the Noosphere Technology (Consortium NIECANT)
Громков Николай Валентинович
доктор технических наук, профессор кафедры информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: ngrom@bk.ru
Ломтев Евгений Александрович
доктор технических наук, профессор кафедры информационно-измерительной техники, Пензенский государственный университет E-mail: rectorat@pnzgu.ru.
УДК 621.317.7 Аналиева, А. У.
Интеллектуальные датчики физических величин для интегрированных on-line информационных систем / А. У. Аналиева, Н. В. Громков, Е. А. Ломтев, П. Т. Харитонов / / Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 2 (8). - С. 41-47.
