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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(dòng)和腐蝕性氣體或液體，但是傳感對(duì)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(duì)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?yàn)樗鼈兺ǔＴ趷毫迎h(huán)境中最惡劣的環(huán)境下使用,?？刂葡到y(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(gè)過程可能需要更長的時(shí)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(huì)處于危險(xiǎn)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(shí)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(duì)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(dòng)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(shí)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(hào),。幸運(yùn)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(duì)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(jì)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(qiáng)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(duì)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(jī)上幫助確定事故發(fā)生后的錯(cuò)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(shí)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(gè)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(duì)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(jì)算機(jī)?？刂破髦g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?yàn)樗鼈兡軌蛞宰钚〉碾姼蓴_進(jìn)行長距離通信,。

傳感器和信號(hào)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(jiān)固的傳感器外殼中,，以提供一定的振動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力保護(hù),。傳感器通常需要通過電子信號(hào)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(hào)處理以從嘈雜的環(huán)境中提取信號(hào),。找到實(shí)現(xiàn)在高溫范圍內(nèi)工作的這一部分設(shè)計(jì)所需的元件可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，但幸運(yùn)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(kuò)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(hào)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(yùn)算放大器（運(yùn)放）開始所需的輸入信號(hào)鏈,。然后，運(yùn)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(jiān)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(jì),，設(shè)計(jì)工程師需要三個(gè)級(jí)別的控制能力,。具有一定信號(hào)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(gè)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(jì)算機(jī)來提供鉆井過程的高級(jí)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(qiáng)大的控制器,。德州儀器（TI）的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器是這個(gè)任務(wù)的一個(gè)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(kuò)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(gè)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(duì)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(shí)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(jì)算和存儲(chǔ)能力的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)計(jì)算機(jī)是不錯(cuò)的選擇,。例如,，凌華科技AmPro堅(jiān)固耐用的小尺寸單板計(jì)算機(jī)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(dòng)處理器; 2 GB DDR2 SDRAM; 8GB工業(yè)級(jí)SSD; 以及用于USB,，LAN,，SDIO，CAN和SATA的接口,，甚至還有一個(gè)24位LVDS接口,，用于堅(jiān)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(hào)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(shí)現(xiàn)。
光纖電纜和堅(jiān)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(dòng),。
如果過度的信號(hào)噪聲和燃燒風(fēng)險(xiǎn)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(shí),，必須使用堅(jiān)固的連接器來承受高溫或嚴(yán)重的振動(dòng)。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(jì)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(shí)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(huì)嚴(yán)重制約設(shè)計(jì)工程師的實(shí)施選擇,。具有擴(kuò)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(shí)現(xiàn)方法可以擴(kuò)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(jī)架的機(jī)箱控制卡一樣嚴(yán)重,。