НАДІЙНА І ТОЧНА СИСТЕМА ЗБОРУ ДАНИХ І УПРАВЛІННЯ ДЛЯ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИХ ЗАСТОСУВАНЬ

У складному промисловому обладнанні необхідно використовувати точні електронні системи, які дозволяють надійно працювати в умовах високих температур. До такого обладнання належать енергетичні системи, електродвигуни, в яких через обмежені розміри практично неможливо розмістити системи, що здійснюють відбір надлишкового тепла. Такі ж вимоги застосовуються до електронного обладнання в авіації, автомобільній та важкій промисловості.

Особливості проектування систем для високих температур

При проектуванні систем збору даних, призначених для роботи при високих температурах, слід враховувати особливості складання аналогових інтерфейсів, мікроконтролерів та інших пристроїв, що входять до їх складу. При розробці такі системи спочатку повинні бути виготовлені у вигляді тестових зразків для вивчення їхньої роботи в лабораторних умовах. Як правило, дані системи повинні бути стійкими до впливу агресивних газоподібних і рідких середовищ, хоча їхнє основне призначення полягає в надійній роботі в умовах високих температур.

Застосування в геологічній розвідці корисних копалин

Вимірювальне обладнання для розвідки корисних копалин, таких як нафта чи газ, включає прецизійні системи збору даних та управління. Ці системи містять безліч різнотипних датчиків, які працюють на великих глибинах. Це можуть бути акселерометри, магнітометри, гіроскопи, які знімають інформацію про положення та швидкість руху бура. Типова температура в свердловині може досягати 175 °C і вище. Крім того, такі системи мають автономне живлення, тому їхнє споживання повинно бути зведене до мінімуму, а їхня конструкція повинна відповідати спеціальним вимогам.

Приклад друкованих плат у збірці для роботи в геологічних свердловинах наведено на рис. 1.

Ця плата поміщається в спеціальний корпус, виконаний у вигляді трубки, що витримує великий зовнішній тиск, рис. 2.

Функціональна схема та ключові компоненти

Таким чином, дана система включає аналоговий інтерфейс та мікроконтролер з низьким споживанням. В якості вимірювального ядра в ній використовується послідовний АЦП AD7981. Перетворювач має два незалежних паралельних канали, а до третього підключений 8-канальний мультиплексор ADG798, рис. 3.

Через SPI-порти АЦП підключений до мікроконтролера VA10800 з ядром ARM-Cortex®-M0. Розміри друкованої плати цієї системи (рис. 1, 2) становлять 11,4 × 1,1 дюйма. Система збору даних надійно функціонує при температурі 200 °С.

Вхідний підсилювач системи

Схема вхідного підсилювача типу AD8634HFZ з обв’язкою наведена на рис. 4.

Розрядність АЦП AD7981 становить 16 біт, максимальна частота вибірки 600 кГц, типова інтегральна нелінійність ±0,6 LSB. Передбачено, що між сусідніми циклами вимірювання АЦП може автоматично переходити в сплячий режим. Як було зазначено, всі елементи конструкції та матеріали системи збору даних та управління призначені для роботи при температурі 200 °С.

Матеріали та компоненти для високотемпературної роботи

Коротко зупинимося на особливостях компонентів системи.

• Для фільтрів нижніх частот використані конденсатори типу COG та NPO, які мають низький температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ).
• Керамічні конденсатори, що відрізняються малим коефіцієнтом теплового розширення, використовуються для розв’язки ланцюгів живлення на друкованій платі.
• Високотемпературні танталові конденсатори використовуються як накопичувачі енергії.
• В якості резисторів використані тонкоплівкові серії РАТТ, а також товстоплівкові резистори, якщо потрібно забезпечити необхідну величину опору при мінімальних розмірах резистора.
• В якості високотемпературних роз’ємів використані роз’єми типу Micro-D.
• Для захисту від перехресних перешкод використаний коаксіальний кабель.
• Матеріалом друкованої плати є поліімід товщиною 0,093 дюйма.

Тип припою для складання друкованої плати – Sn95/Sb05 з температурою плавлення понад 230 °С.

Випробування кількох зразків системи здійснювалися при температурі 200 °C протягом 200 годин. Залежності SNR (відношення сигнал/шум) та SINAD (відношення сигнал/шум плюс спотворення) АЦП від температури наведені на рис. 5.

Споживання енергії в залежності від температури

Залежність струму споживання від температури наведена на рис. 6. Споживання пристрою в цілому при нормальній температурі становить 155 мВт, а при температурі 200 °C – 225 мВт.

Висновки

1. Високотемпературна електроніка, що дозволяє надійно працювати системам збору даних та управління при температурах 200 °C і вище, широко затребувана у важкій, видобувній, автомобільній та авіаційній промисловості.
2. Компанія Analog Devices розробила типову систему збору даних та управління EV-HT-200CDAQ1, призначену для роботи при високій температурі до 200 °С.