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一种面向极端高温环境的高可靠精密数据采集与控制平台

发布日期:2022-11-23 01:14

本文摘要:在许多险恶环境系统中,一个大大快速增长的趋势是高精密电子器件离高温区域越来越近。这一趋势背后有多个推展因素,在能源勘探、航空航天、汽车、重工业和其他终端应用于中都有反映。 例如,在能源勘探领域,环境温度增幅为深度的函数,涉及设备的典型工作温度为175°C及以上。不受尺寸和功率容许,有源加热不过于实际,热对流十分受限。在其他系统中,必须把传感器和信号调理节点置放高温区域附近,比如发动机、刹车系统或高功率能源转换电子器件,以提升系统的整体可靠性或降低成本。

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在许多险恶环境系统中,一个大大快速增长的趋势是高精密电子器件离高温区域越来越近。这一趋势背后有多个推展因素,在能源勘探、航空航天、汽车、重工业和其他终端应用于中都有反映。

例如,在能源勘探领域,环境温度增幅为深度的函数,涉及设备的典型工作温度为175°C及以上。不受尺寸和功率容许,有源加热不过于实际,热对流十分受限。在其他系统中,必须把传感器和信号调理节点置放高温区域附近,比如发动机、刹车系统或高功率能源转换电子器件,以提升系统的整体可靠性或降低成本。从历史上来看,工程师要为这些应用于设计出有可信的高性能电子器件是十分艰难的事,因为市场上缺乏制造商为这些工作条件生产登录的组件。

幸运地的是,近年来经常出现了更加多的(IC和无源)组件,制造商登录的工作温度高达175°C及以上。另外,最近的参照设计也偏重于性能,将部分这些组件在信号链子系统中融合一起,构建仪器数据采集,以使系统设计师能更慢地使用涉及技术(如CN-0365),并协助他们减少设计风险、延长上市时间。但在此之前,在高温仪器数据采集方面,距离特性较好、普遍能用的全功能平台还不存在一些差距。在本文中,我们将讲解一种新型高温仪器数据采集与处置平台,其工作温度高达200°C。

该平台还包括一个高温电路组件,以及一个数据采集前端和微控制器、优化的固件、数据采集与分析软件、源代码、设计文件、材料表格和测试报告。该平台合适参照设计、较慢原型制作和高温仪器仪表系统实验室测试。电路组件的尺寸和结构皆经过尤其设计,可相容石油天然气仪器仪表的尺寸拒绝,但也可作为其他高温应用于的基础。硬件架构阐述油气勘探中用于的仪器仪表(也称作井下工具)与许多仪器数据采集与掌控平台类似于,但对性能和可靠性具有明确的拒绝,可以作为本参照平台的案例展开研究。

在该应用于中,系统来自各类传感器的信号取样,以搜集与周围地质构造涉及的信息。这些传感器有可能是电极、线圈、压电传感器或其他传感器。

加速度计、磁力计和陀螺仪可以获取有关钻柱的倾角和扭矩信息。这些传感器中有一些的比特率拒绝极低,其他传感器则能获取音频频率范围内或以上的信息。

必须用于多个收集地下通道,还必需在高温(一般为175°C及以上)下保持高精度。另外,这些仪器仪表中相当大一部分使用电池供电,或者能用电能受限,因此,必需具备低功耗和多个工作模式的特点,以构建功耗优化。在有关电子系统的拒绝以外,井下应用于还不存在机械上的容许,有可能要求着电子组件的尺寸,也可能会影响组件的PCB和自由选择。对于后一个问题,我们将在后面各节里详尽辩论,目前要留意的是,这一段的电路组件一般对电路板宽度有容许。

必需将电子组件放到钻井作业中用于的管状压力容器中,因此其长方形比具备狭长的特点。这种形状上的特点容许了能用组件的尺寸和密度,也有可能容许组件布局和信号路由的拆分方式,结果有可能对高精度电子器件的性能导致影响,因此,要特别注意布局和其他PCB设计细节。图2右图为一种典型尺寸、装有在一个管状压力容器里的电路组件(半透明,顶部),装有上电路板后管状压力容器的横截面(底部)。本文辩论的可信参照设计平台基于CN-0365仿真前端参照设计,其目的是为基于高温低功耗微控制器的仪器数据采集和掌控解决方案奠下基础,使其合乎众多井下仪器仪表和其他高温电子器件的拒绝。

基于AD7981模数SAR转换器,该参照设计展现出了一种全功能的系统,带上2个高速实时取样地下通道和8个额外的多路复用地下通道,可符合普遍的井下工具的数据采集市场需求(共10个地下通道)。该仿真前端通过SPI端口终端来自联盟合作伙伴VoragoTechnologies和PetromarTechnologies的VA10800ARM?Cortex?-M0。该设计是大大发展壮大的ADI高温应用于产品和解决方案生态系统里的近期成员。图1.高温参照平台。

收集后,可以在本地处置数据,也可通过UART或附加的RS-485通信接口传输过来。电路板上的其他设施组件(还包括内存、时钟、电源和无源器件)皆为各自供应商登录的、反对低工作温度的器件,经验证,这些组件能在200°C或以上的温度下可信地工作。

图1和图2右图为该高温参照平台的实际电路板图和高层次功能框图。图2右图电路板展出的是井下电路板布局和尺寸,大约宽11.4英寸、长1.1英寸。图2.井下电子组件尺寸。

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CN-0365应用于笔记中全面地讲解了该平台仪器数据采集地下通道的设计问题。该设计是这个平台上的三个ADC输出的基础,不过,为了符合电路板尺寸拒绝,使平台能在最低200°C的温度下可信地工作,主要在无源元件自由选择方面展开了一些调整和优化。

参照收集地下通道电路如图4右图。有2个能在低取样速率下工作的数字多路复用地下通道,每一个都所含一个原始的数据采集地下通道(与CN-0365类似于)。还有一个仿真多路复用地下通道,其在输出之前加到了一个ADG798多路复用器,并针对较低吞吐量输出展开了优化。

R1和R3为U1的同互为输出获取1.25V偏置电压,避免其在插入时或者中止自由选择多路复用器时,浮动至仿真输出的供电轨。可以变更R8和R9,以提升U1的增益。R4、R7和C1是抗混叠滤波器,但也可以将它们重新配置为衰减器或交错滤波器配备。

R5、R6和C4包含ADC驱动器与ADC输出之间的RC滤波器,该滤波器的起到是容许抵达ADC输出的带外噪声量,并波动来自ADC输出电源电容的后坐电压。


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