Kritické aplikace senzorů

-- 12.03.20

Diagnostika, redundance, inteligence: Používání senzorů v éře inteligentních zařízení a systémů vyžaduje více znalostí o návrhu automatizačních senzorových systémů.

S nástupem dnešní „chytré éry“ dochází k masovému rozvoji chytrých systémů a zařízení. Jádrem většiny těchto inteligentních systémů jsou senzory a senzorová technika. Senzory jsou pilířem pro vytváření chytrých zařízení schopných shromažďovat řadu komplexních dat z různých zdrojů a převádět je na měřitelné výstupy, které poskytují důležité informace o jejich fungování. Tyto informace tvoří základ rozhodnutí a kroků, jež je třeba přijmout.

Senzorové inženýrství je zaprvé vědou o integraci sestavy, která umožňuje senzorům působit a přeměnit ji na efektivní řešení, zadruhé poskytuje schopnost činit lepší a přesnější rozhodnutí tam, kde se používá, a zatřetí se dotýká mnoha kritických oblastí života a zahrnuje stále více odvětví, jako je lékařská elektronika, nositelná elektronika, bezpečnost vozidel, průmyslová zařízení a hračky.

Při volbě způsobu používání senzorů u kritických aplikací se uplatňují dva přístupy: tím prvním je redundance senzorů, tím druhým pak diagnostika senzorů. Každý z nich byl emulován v různých průmyslových odvětvích.

Aplikovaná inteligence senzorů

S rostoucím významem senzorového inženýrství je důležité kriticky vyhodnocovat aplikace senzorového inženýrství.

Strojní lisy vyžadují velmi vysokou míru přesnosti při aplikování a udržování působení síly na objekt. Jedním ze způsobů, jak tuto sílu měřit, je pomocí tlakových snímačů. Lze použít více takových snímačů a výsledky zprůměrovat. Pomáhá to anulovat jakékoli malé rozdíly v odečtu zatížení mezi snímači, které se mohou vyskytnout v různých časech a za různých podmínek prostředí.

Další výhodou procesu průměrování je to, že je možné také redukovat šumové signály na jednotlivých výstupech tlakových snímačů. Další výhodou použití většího počtu senzorů k měření jednoho procesního parametru je to, že ačkoli jeden senzor selže, systém může stále fungovat, i když nemusí poskytovat stejně přesné hodnoty. Avšak jak lze řídit shromažďování vstupů z několika redundantních senzorů a jejich zpracování, aby bylo dosaženo uvedených výhod? V tomto případě musí být polohovací řídicí prvek naprogramován tak, aby provedl kontrolu a průměrování dat tlakových snímačů ještě předtím, než je do řídicí smyčky odeslána zpětná vazba.

V leteckém průmyslu hrají senzory klíčovou roli při zajišťování bezpečnosti letadel za letu. Ve známém případě se přední světový výrobce rozhodl použít v automatizovaném zabezpečovacím systému diagnostiku z jednoho senzoru úhlu náběhu (Angle-Of-Attack – AOA) namísto použití dvou, ba dokonce tří takových senzorů k vybudování redundance a chybově odolných opatření. Ve více než jednom případě senzor úhlu náběhu zaznamenal/interpretoval data chybně, což následně vedlo k nesprávným rozhodnutím automatizovaného zabezpečovacího systému ohledně manévrů letadla v letovém režimu.

V letadle, které využívá dva nebo tři senzory úhlu náběhu, došlo k případům, kdy se data z každého senzoru výrazně neshodovala, což poukazovalo na anomálii v minimálně jednom odečtu. V těchto případech poskytují vestavěné varovné systémy o takovýchto neshodách včasné signály pilotům, kteří se pak mohou rozhodnout vypnout automatické vstupy. V takových aplikacích se redundance jeví jako kriticky nezbytná.

Aplikace měření v automobilech byly úspěšně řešeny již od 80. let za pomoci integrovaných obvodů s Hallovým čidlem. Jednoduchým případem použití je Hallovo čidlo se spínacím výstupem, který detekuje, zda jsou dveře automobilu zcela zavřené.

S pokrokem v automobilových technologiích se požadavky na spolehlivost určování polohy zvýšily. Pokud snímač nesprávně zjistí polohu plynového pedálu, může dojít k nebezpečí. Pro zvýšení bezpečnosti je pro stejné měření možné použít dva senzory namísto jednoho. Výstupní signály obou senzorů pak mohou být porovnány a mohou být detekovány chybové odchylky. Palubní elektronické systémy v automobilech jsou schopny odpovídajícím způsobem zareagovat.

Aplikace s větším počtem senzorů mohou zvýšit hmotnost a vyžadují více instalačního prostoru, ale tyto problémy lze vyřešit zvýšením hustoty integrace senzorů. Běžnou metodou je v polovodičovém průmyslu integrace několika čipů CMOS (Complementary Metaloxide Semiconductor) do jednoho balíčku. Toto je nový přístup uplatňovaný u Hallových čidel.

Shashidhara Dongre je globální ředitel pro chytré produkty a služby společnosti L&T Technology Services. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel, Control Engineering, CFE Media, mhoske@cfemedia.com.á.