Спосіб діагностування стану цифрового інтелектуального датчика

Реферат: Винахід належить до галузі діагностики стану цифрових вимірювальних пристроїв і може бути використаний в будь-яких галузях науки і техніки, де застосовуються інтелектуальні цифрові вимірювальні системи контролю фізичних параметрів. Спосіб діагностування стану цифрового інтелектуального датчика полягає в організації в кожному циклі роботи датчика виміру тривалості першого відгуку датчика в процесі його ініціалізації, запам'ятовування результату виміру на час повного циклу роботи датчика, виміру тривалості першого відгуку датчика в процесі його ініціалізації в наступному циклі, запам'ятовування цього результату виміру, порівняння і збереження результатів попереднього і поточного вимірів, оцінку результатів порівняння і виявлення їх тенденцій, повторення даної процедури, де як опорний використовується результат попереднього виміру тривалості відгуку. Технічним результатом, що досягається даним винаходом, є підвищення достовірності показань термодатчиків, можливість додаткового діагностування умов роботи цифрового інтелектуального датчика і виявлення дії на нього зовнішніх негативних чинників. UA 110811 C2 (12) UA 110811 C2 UA 110811 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі діагностики стану цифрових вимірювальних пристроїв і може бути використаний в будь-яких галузях науки і техніки, де застосовуються інтелектуальні цифрові вимірювальні системи контролю фізичних параметрів. У цифровій вимірювальній техніці широко використовується циклічний надлишковий код (Cyclic redundancy check-CRC) для перевірки цілісності переданої інформації. Проте цей код не враховує впливи, які можуть надати зовнішні негативні фактори на засіб вимірювальної техніки в процесі виміру контрольованого параметра. Тому, коли кінцевий пристрій отримує спотворений сигнал від первинного датчика і керується лише перевіркою CRC-коду, користувач отримує свідомо помилкову (недостовірну) інформацію про протікання технологічного процесу. Реалізацію пропонованого способу будемо розглядати на прикладі цифрового інтелектуального датчика температури. В процесі експлуатації устаткування на виробництві не зрідка виникає необхідність перевірити достовірність показань термодатчика. Оскільки датчики температури встановлюють безпосередньо на об'єкті контролю, доступ до них може бути украй затруднений. Зупинка устаткування (різних насосів, генераторів) для цієї мети не завжди можлива, оскільки спричиняє украй негативні наслідки (фінансові втрати, зрив графіку роботи і тому подібне). Виходом з даної ситуації є, наприклад, установка резервних термодатчиків, які використовуються для контрольних функцій. Проте, якщо в результаті короткочасного розширення металу в місці установки датчиків відбулося здавлення корпусів декількох з них, у тому числі і контрольних, що не привело до руйнування датчиків, це з великою вірогідністю позначиться на надійності, довговічності і достовірності роботи перетворювачів [1, 2]. Ситуація посилюється відсутністю реального контролю за подібними негативними факторами. Відомі способи діагностики [3, 4], направлені на оцінку працездатності електронних елементів і систем, і якщо параметри знаходяться в заданих межах, результат діагностування буде однозначно позитивним. В той же час, наявність прихованих негативних чинників і тенденцій їх розвитку, таких, що не виявляються в поведінці досліджуваних елементів, але що наближають їх, наприклад, до руйнування, знаходиться за межами уваги подібних методів. Найбільш близьким по суті даної заявки є спосіб [5], що дозволяє шляхом імпульсних дій на напівпровідниковий прилад отримати його вольт-амперну характеристику. У даному способі оцінюється типова реакція p-n переходу у вигляді підвищення температури на стрибок струму в ньому. Недоліком даного способу є те, що він не дає можливість зафіксувати факт нештатної (не передбаченої нормативною документацією) дії на прилад, якщо таке має місце по яких-небудь причинах. Задачею винаходу є реалізація можливості додаткового діагностування умов роботи цифрового інтелектуального датчика і виявлення дії на нього зовнішніх негативних чинників, наприклад, тиску, під час функціонування по основному призначенню. Технічний результат досягається завдяки тому, що виконують вимір тривалості первинного відгуку датчика на запит ініціалізації від комп'ютера в кожному циклі вимірів, порівнюють суміжні результати і оцінюють тенденції їх змін. Суть пропонованого способу діагностування стану цифрового інтелектуального датчика полягає в організації в кожному циклі роботи датчика виміру тривалості першого відгуку датчика в процесі його ініціалізації, запам'ятовування результату виміру на час повного циклу роботи датчика, виміру тривалості першого відгуку датчика в процесі його ініціалізації в наступному циклі, запам'ятовування цього результату виміру, порівняння і збереження результатів попереднього і поточного вимірів, оцінку результатів порівняння і виявлення їх тенденцій, повторення даної процедури, де як опорний використовується результат попереднього виміру тривалості відгуку. Цифрові інтелектуальні датчики є сучасними елементами вимірювальної мережі "MicroLan", зв'язаними в структурі мережі по однопровідному (1-wire) протоколу. Саме особливість організації взаємодії комп'ютера з безліччю однопровідних датчиків мережі дозволяє виявити можливості діагностування, що заявляються. Для пояснення суті пропонованого способу діагностування стану цифрового інтелектуального датчика розглянемо особливості процесу ініціалізації в системі "комп'ютер датчик". Процес спілкування комп'ютера (або мікроконтролера) з датчиками, розташованими в лінію, полягає в послідовній передачі запитів і команд від комп'ютера в лінію і здобутті ним відповідей від ідентифікованих (за допомогою індивідуальних 64-розрядних кодів) датчиків. У початковому стані вимірювальна (сигнальна) лінія "підтягнута" до рівня +5 вольт через резистор (4,7 кОм), що дозволяє вельми просто реалізувати двостороннє спілкування комп'ютера з датчиками 1 UA 110811 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 шляхом формування кожним з учасників "провалів напруги в лінії" до нуля. Для цієї мети в датчику на вході (він же - вихід) встановлений польовий транзистор, замикаючий сигнальну лінію на землю згідно з командами від внутрішньої схеми датчика. Кожен вимірювальний цикл, що становить порядку 750 мс, починається з посилки від комп'ютера в лінію імпульсу ініціалізації у вигляді провалу напруги (UВИХ=0), тривалістю 480 мкс. Цього часу вистачає для активізації у відповідь реакції датчика, якщо він є в лінії, справний і готовий до спілкування. І якщо це так, то через 15 мкс вже датчик посилає у бік комп'ютера свою відповідь у вигляді провалу напруги, тривалістю 60…240 мкс. Такий діапазон значень заданий розробниками датчиків (фірмою Dallas Semiconductor) з технологічних міркувань для підвищення надійності формування і причитування бітів інформації від датчиків при їх роботі в одному з передбачених режимів - без зовнішнього джерела живлення. Дослідження показали, що в межах вказаного діапазону інтервал часу відгуку датчика на первинний запит від комп'ютера, при специфікаційних умовах експлуатації датчика, практично стабільний. Процес ініціалізації вимірювального каналу ілюструє осцилограма, наведена на Фіг. 1, де: 1 - імпульс ініціалізації (запиту) від комп'ютера в лінію; 2 - відгук від датчика. Відгук від датчика (2) формується його внутрішньою схемою і не несе жодного смислового навантаження, окрім підтвердження факта здобуття датчиком запиту від комп'ютера. Тому алгоритм спілкування в системі "комп'ютер - датчик" передбачає лише фіксацію цього факту для організації подальшого обміну даними. Були проведені дослідження реакції датчика температури DS18B20, що працює по прямому призначенню, на зміну зовнішнього тиску на його корпус. Встановлено, що при зміні тиску в межах до 140 кг температурні показання датчика практично збігаються з даними контрольного вимірника, розташованого поруч. Це свідчить про високу перешкодозахищеність датчика. Проте, подальше підвищення тиску на датчик всього на 3 кг призвело до його фізичного руйнування і втрати контролю, можливо, у відповідній точці технологічного процесу. І ця катастрофа ніяк не прогнозувалася за результатами штатних вимірювань. В той же час було виявлено зміну тривалості первинного відгуку датчика із зростанням зовнішнього тиску на його корпус. Як приклад, на Фіг. 2 (і Фіг. 3 в збільшеному масштабі) наведені осцилограми сигналу "відгуку" від датчика температури DS18B20 при дії на його корпус механічних зусиль різної величини. Аналіз отриманих осцилограм виразно показує тенденцію збільшення тривалості сигналу відгуку, формованого датчиком на запит від комп'ютера при зміні зовнішнього тиску на його корпус. Така ситуація може виникнути, наприклад, при щільній установці датчика (для забезпечення хорошого теплового контакту) в глибокому свердлінні станини підшипника і істотній зміні геометрії кріплення при значному зменшенні зовнішньої температури (датчик працездатний в діапазоні температур від -55 до +125 °C). Контроль за даним параметром дозволить, по-перше, виявити небезпечну дію на корпус датчика і, по-друге, дозволить прослідити тенденцію розвитку цієї дії і запобігти виходу датчика з ладу. Таким чином, пропонований спосіб діагностування стану цифрового інтелектуального датчика надає можливість додаткового діагностування умов роботи досліджуваного датчика і виявляє дії зовнішніх негативних чинників на нього, наприклад, тиску, під час функціонування по основному призначенню. Джерела інформації: 1. Осадчук В.С. и др. Влияние давления на параметры полупроводниковых структур. Автоматика и информационно-измерительная техника. Наукові праці ВНТУ, 2009, № 1, с. 1-5. 2. Конструирование радиоэлектронной геофизической аппаратуры. http://prodav.exponenta.ru/design/lecture/app/lec06.doc. 3. Диагностика датчиков электронной системы управления двигателем. http://www.diagauto.ru/diagnostika-datchikov-elektronnoy-sistemy-upravleniya-dvigatelem.html. 4. Сканер для диагностики Bosch KTS 540. - http://www.diagauto.ru/31-bosch-kts-540.html. 5. Пат. України № 96998. Спосіб автоматизованого вимірювання вольт-амперної характеристики напівпровідникових приладів / О.Ф. Бондаренко, Є.О. Єрмоленко (UA), МПК G01R 31/26 (2006.01), G01R 19/32 (2006.01). Заявл. 29.01.2010; Опубл. 26.12.2011, бюл. № 24 2011 р. 2 UA 110811 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Спосіб діагностування стану цифрового інтелектуального датчика при дії на нього зовнішнього тиску, який полягає в тому, що на цифровий датчик подають імпульс ініціалізації, отримують первинний відгук датчика у вигляді вольт-амперної характеристики, який відрізняється тим, що заданий імпульс ініціалізації формують за допомогою комп′ютера у вигляді провалу напруги, вимірюють тривалість первинного відгуку датчика на кожний заданий імпульс ініціалізації, цикл виміру повторюють, порівнюють суміжні результати, відхилення від нормального робочого стану датчика визначають по зміні тривалості відгуку датчика від заданих діапазонів значень нормального функціонування датчика. 3 UA 110811 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4