НАДЕЖНАЯ И ТОЧНАЯ СИСТЕМА СБОРА ДАННЫХ И УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРИМЕНЕНИЙ

В сложном промышленном оборудовании необходимо использовать точные электронные системы, позволяющие надежно работать в условиях высоких температур. К такому оборудованию относятся энергетические системы, электродвигатели, в которых из-за ограниченных размеров практически невозможно расположить системы, осуществляющие отбор избыточного тепла. Такие же требования применяются к электронному оборудованию в авиации, автомобильной и тяжелой промышленности. При проектировании систем сбора данных, предназначенных для работы при высоких температурах, следует учитывать особенности сборки аналоговых интерфейсов, микроконтроллеров и других устройств в их составе. При разработке такие системы первоначально должны быть изготовлены в виде тестовых образцов для изучения их работы в лабораторных условиях. Как правило, данные системы должны быть устойчивы к воздействию агрессивных газообразных и жидких сред, хотя их основное назначение состоит в надежной работе в условиях высоких температур.
Измерительное оборудование для разведки полезных ископаемых, таких как нефть или газ, включает прецизионные системы сбора данных и управления. Эти системы содержат множество разнотипных датчиков, которые работают на больших глубинах. Это могут быть акселерометры, магнитометры, гироскопы, которые снимают информацию о положении и скорости движения бура. Типовая температура в скважине может достигать 175 °C и выше. Кроме того, такие системы имеют автономное питание, поэтому их потребление должно быть сведено к минимуму, а их конструкция должна отвечать специальным требованиям. Пример печатной плат в сборке для работы в геологических скважинах приведен на рис. 1.

Рис. 1. Высокотемпературная система сбора данных и управления в сборе на печатной плате

Эта плата помещается в специальный корпус, выполненный в виде трубки, выдерживающей большое внешнее давление, рис. 2.
Таким образом, данная система включает аналоговый интерфейс и микроконтроллер с низким потреблением. В качестве измерительного ядра в ней используется поразрядный АЦП AD7981. Пре образователь имеет два независимых параллельных канала, а к третьему подключен 8-канальный мультиплексор ADG798, рис. 3.

Рис. 2. Конструктивное исполнение высокотемпературной системы сбора данных и управления

Рис. 3. Функциональная схема высокотемпературной системы сбора данных и управления

Через SPI-порты АЦП подключен к микроконтроллеру VA10800 c ARM-Cortex®-MO ядром. Размеры печатной платы этой системы, рис. 1, 2, составляют 11.4×1.1 дюйма. Система сбора данных надежно функционирует при температуре 200 °С. Схема входного усилителя типа AD8634HFZ с обрамлением приведена на рис. 4.

Рис. 4. Драйвер АЦП на основе усилителя АD8634HFZ

Разрешение АЦП AD7981 составляет 16 бит, максимальная частота выборки 600 кГц, типовая интегральная нелинейность ±0.6 ЕМР. Предусмотрено, что между соседними циклами измерения АЦП может автоматически переходить в спящий режим. Как было отмечено, все элементы конструкции и материалы системы сбора данных и управления предназначены для работы при температуре 200 °С.
Кратко остановимся на особенностях компонентов системы. Для фильтров нижних частот использованы конденсаторы типа COG и NPO, которые имеют низкий температурный коэффициент ТКЕ. Керамические конденсаторы, отличающиеся малым коэффициентом теплового расширения, используются для развязки цепей питания на печатной плате. Высокотемпературные танталовые конденсаторы используются как накопители энергии. В качестве резисторов использованы тонкопленочные серии РАТТ, а также толстопленочные резисторы, если нужно обеспечить необходимую величину сопротивления при минимальных размерах резистора. В качестве высокотемпературных разъемов использованы разъемы типа Мicro-D. Для защиты от перекрестных помех использован коаксиальный кабель. Материалом печатной платы является полиимид толщиной 0.093 дюйма.

Рис. 5. Зависимость SNR и SINAD
высокотемпературной системы сбора данных
и управления от температуры

Тип припоя для сборки печатной платы – Sn95/Sb05 с температурой плавления свыше 230 °С. Испытания нескольких образцов системы осуществлялись при температуре 200 °C в течение 200 часов. Зависимости SNR (отношение сигнал/шум) и SINAD (отношение сигнал/шум плюс искажения) АЦП от температуры приведены на рис. 5. Зависимость тока потребления от температуры приведена на рис. 6. Потребление устройства в целом при нормальной температуре составляет 155 мВт, а при температуре 200 °C – 225 мВт.

Рис. 6. Зависимость тока потребления
высокотемпературной системы сбора данных
и управления от температуры

ВЫВОДЫ

1. Высокотемпературная электроника, позволяющая надежно работать системам сбора данных и управления при температурах 200 °C и выше, широко востребована в тяжелой, добывающей, автомобильной и авиационной промышленности.
2. Компания Analog Devices разработала типовую систему сбора данных и управления EV-HT-200CDAQ1, предназначенную для работы при высокой температуре до 200 °С.