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在許多工業(yè)應(yīng)用中，感知，記錄和交流關(guān)于環(huán)境條件的數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的。許多工業(yè)過程涉及高溫，高壓，振動和腐蝕性氣體或液體，但是傳感對于控制和監(jiān)測這些過程是非常重要的，通常在非常惡劣的環(huán)境條件下進(jìn)行。在許多這些應(yīng)用中，控制對于設(shè)備，過程或者操作員來說是安全的關(guān)鍵要素。許多這些控制系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)是傳感功能，因為它們通常在惡劣環(huán)境中最惡劣的環(huán)境下使用。控制系統(tǒng)通常可以遠(yuǎn)離最惡劣的環(huán)境，因此它們可能沒有傳感元件那么嚴(yán)格。
具有嚴(yán)格的傳感和控制要求的常見惡劣環(huán)境的示例性例子是在井下鉆井中，精確控制鉆井或提取過程是至關(guān)重要的。如果沒有持續(xù)的控制，這個過程可能需要更長的時間，需要更多的維護(hù)中斷，甚至損壞復(fù)雜和昂貴的設(shè)備。在最壞的情況下，如果控制系統(tǒng)沒有采取嚴(yán)格的糾正措施，操作人員可能會處于危險之中。試圖以較低精度或較不可靠的傳感器節(jié)省幾美元，最終可能損失數(shù)百萬美元的時間，設(shè)備損壞甚至操作員受傷或死亡。
井下應(yīng)用中的傳感要求可以覆蓋很廣的范圍。對于在井下應(yīng)用中能夠追蹤溫度，壓力，電阻率，甚至伽馬射線輻射水平的傳感器來說，這并不罕見（圖1）。這些傳感器顯然需要承受典型的井下環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的高溫，高壓，振動和腐蝕，但精度也是非常重要的。早期發(fā)現(xiàn)的微小變化可以使控制過程更容易識別趨勢，這些趨勢可能是需要減輕或控制的系統(tǒng)壓力的早期預(yù)警信號。幸運的是，有傳感器可以承受惡劣的環(huán)境，并提供先進(jìn)控制系統(tǒng)所需的精確測量。
圖1
圖1：井下感測對于安全性和效率至關(guān)重要。
惡劣環(huán)境的系統(tǒng)架構(gòu)
如前所述，嘗試在惡劣的環(huán)境設(shè)計中分離感測元件和控制元件通常是有幫助的。這將更復(fù)雜的電子設(shè)備放置在距環(huán)境最惡劣的地方一段距離處，并將更強大的傳感器放置在最具挑戰(zhàn)性的區(qū)域。然而，通常在傳感器附近需要一定量的控制來管理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制系統(tǒng)。此外，將數(shù)據(jù)記錄到傳感器盒內(nèi)或附近可能很重要，以便可以對過程進(jìn)行完整的記錄以進(jìn)行效率測量或發(fā)生故障（類似于使用“黑盒”在飛機上幫助確定事故發(fā)生后的錯誤或失敗的根本原因）。記錄數(shù)據(jù)還需要一定量的控制來管理過程。
構(gòu)建系統(tǒng)的一種方法是將簡單的控制器放置在傳感元件附近，以實現(xiàn)通信和記錄功能的最低要求（圖2）。在傳感器組件附近的多個傳感器位于發(fā)生環(huán)境感測的地方。本地傳感器控制器可以捕獲傳感器讀數(shù)并對其進(jìn)行處理以減少數(shù)據(jù)傳輸開銷。通信控制器可以位于距傳感器組件一定距離處，以稍微減少惡劣的環(huán)境要求。數(shù)據(jù)處理和算法處理的大部分可以通過位于遠(yuǎn)程的中央控制器完成，也許使用通用的工業(yè)計算機。控制器之間的通訊可以通過無線方式進(jìn)行，如果環(huán)境允許的話，或者通過電纜或光纜。
圖2
圖2：井下傳感器應(yīng)用的示例系統(tǒng)架構(gòu)，假定光纖是優(yōu)選的，因為它們能夠以最小的電干擾進(jìn)行長距離通信。
傳感器和信號鏈
溫度傳感器可能是最知名的傳感器類型，鉑基傳感器隨溫度而改變電阻，非常普遍。例如，霍尼韋爾700系列鉑電阻薄膜傳感器覆蓋從-70°到500°C的溫度范圍，即使在最惡劣的溫度下也能正常工作。用于壓力，磁力，流體流量，氣體或位置的其他傳感器可以共同位于堅固的傳感器外殼中，以提供一定的振動和機械應(yīng)力保護(hù)。傳感器通常需要通過電子信號鏈進(jìn)行監(jiān)控，包括放大，模數(shù)轉(zhuǎn)換以及甚至一些信號處理以從嘈雜的環(huán)境中提取信號。找到實現(xiàn)在高溫范圍內(nèi)工作的這一部分設(shè)計所需的元件可能是一個挑戰(zhàn)，但幸運的是一些制造商提供了在高溫應(yīng)用中感測所需的產(chǎn)品類型的擴展溫度范圍。
也許并不出乎意料，德州儀器提供了一系列面向信號鏈的器件，可在-55o到210oC的寬溫范圍內(nèi)工作。這些產(chǎn)品可以創(chuàng)建從TI OPA 2333等高溫運算放大器（運放）開始所需的輸入信號鏈。然后，運算放大器的輸出可以饋入高溫模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如TI ADS1278。由于這些產(chǎn)品具有如此寬的溫度范圍，并采用堅固耐用的陶瓷封裝，因此即使在非常惡劣的環(huán)境下，也可用于傳感器應(yīng)用。
控制系統(tǒng)架構(gòu)
使用圖2中的示例設(shè)計，設(shè)計工程師需要三個級別的控制能力。具有一定信號處理能力的控制器最接近傳感器。除傳感器之外，在通信包中，需要一個簡單的控制器來處理通信和記錄功能。最后，在通信傳輸線的另一端，需要工業(yè)計算機來提供鉆井過程的高級算法控制和監(jiān)視。
傳感器控制和監(jiān)控是處理密集度最高的，也需要最強大的控制器。德州儀器（TI）的TMS320F2812數(shù)字信號處理器是這個任務(wù)的一個候選者。它可以在位于環(huán)境最惡劣的環(huán)境中的傳感器組件所需的擴展溫度范圍（-55o至210oC）內(nèi)工作。DSP功能使其能夠在將數(shù)據(jù)發(fā)送到通信軟件包之前處理數(shù)據(jù)，從而降低了所需的整體帶寬 - 顯著提高了效率。
通信控制器可以是一個更簡單的處理器，甚至可能是恩智浦半導(dǎo)體的MC9S12D64F0VFUE等16位MCU 。對控制器的溫度要求不太嚴(yán)格，高達(dá)105oC的操作溫度就足夠了。這類MCU具有將傳感器封裝到系統(tǒng)控制器的通信流量進(jìn)行管理以及實現(xiàn)任何所需的數(shù)據(jù)記錄功能所需的全部功能。
中央控制器的要求最低，因此具有大量計算和存儲能力的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)計算機是不錯的選擇。例如，凌華科技AmPro堅固耐用的小尺寸單板計算機即使在-40°C至85°C的溫度范圍內(nèi)也可以使用。它具有英特爾凌動處理器; 2 GB DDR2 SDRAM; 8GB工業(yè)級SSD; 以及用于USB，LAN，SDIO，CAN和SATA的接口，甚至還有一個24位LVDS接口，用于堅固耐用的顯示器。支持各種操作系統(tǒng)，以便輕松移植現(xiàn)有軟件。
通訊鏈接
從傳感器一直到中央控制器的信號都將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。通信鏈路可以使用光纖，電纜或無線，取決于所需的距離和環(huán)境的特性。顯然，無線作為連接介質(zhì)提出的挑戰(zhàn)最小，但在許多噪聲或障礙物可能導(dǎo)致干擾的環(huán)境中（如井下應(yīng)用）可能無法實現(xiàn)。
光纖電纜和堅固的連接器是長距離通信的有效選擇。一些光纖連接器系統(tǒng)，如Molex LC2 +金屬光學(xué)連接器，使用特殊的高溫金屬體，可承受高達(dá)150oC的長期工作溫度以及嚴(yán)重的沖擊和振動。
如果過度的信號噪聲和燃燒風(fēng)險不存在，電氣通信適用于短距離。如果需要非常高的帶寬，串行傳輸協(xié)議可以低速使用（如傳統(tǒng)的UART速率），甚至可以達(dá)到10G以太網(wǎng)。使用任何有線通信方案時，必須使用堅固的連接器來承受高溫或嚴(yán)重的振動。例如，來自TE Connectivity的CeeLok FAS-T連接器可用于Cat 5e（用于1 Gbit以太網(wǎng)）或Cat 6a（用于10 Gbit以太網(wǎng)）布線的各種通信系統(tǒng)。在圖2的示例設(shè)計中，從傳感器封裝到通信控制器的有線連接將是適當(dāng)?shù)摹８鶕?jù)傳感器的數(shù)量和監(jiān)控頻率，可以實現(xiàn)簡單的UART或低速以太網(wǎng)協(xié)議。
以井下鉆探應(yīng)用為代表的惡劣環(huán)境與傳統(tǒng)環(huán)境相比，會嚴(yán)重制約設(shè)計工程師的實施選擇。具有擴展的溫度范圍（甚至高達(dá)200oC）的組件使得在非常具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中構(gòu)建健壯而復(fù)雜的傳感系統(tǒng)成為可能。通過在最惡劣的條件下遠(yuǎn)程分配通信和數(shù)據(jù)記錄功能，可以使用范圍更廣的產(chǎn)品，其中最高溫度為85o或105oC的設(shè)備就足夠了。這種分布式的系統(tǒng)實現(xiàn)方法可以擴展到各種各樣的應(yīng)用中，即使環(huán)境挑戰(zhàn)可能與蜂窩基站或高性能服務(wù)器機架的機箱控制卡一樣嚴(yán)重。