Компания «Ханьцзин» представила датчик RVDT с трёхканальной истинной резервной конструкцией.

1. Предпосылки проектирования

1.1 Необходимость резервного проектирования и высоконадёжная резервная архитектура

В стратегических отраслях, связанных с национальным хозяйством и жизнеобеспечением, стабильная эксплуатация оборудования является не только ключевым техническим показателем, но и решающим фактором укрепления системы безопасности. Будь то строительство критически важной государственной инфраструктуры или функционирование систем в экстремальных условиях — высокая надёжность выступает основным требованием, являясь фундаментальной основой для обеспечения успешного выполнения задач, защиты предельных уровней безопасности и достижения экономической эффективности на протяжении всего жизненного цикла.

Надёжность — это способность изделия в заданных условиях и в течение установленного времени выполнять предусмотренные функции. В традиционном проектировании повышение надёжности системы можно обеспечить за счёт выбора высококачественных компонентов, упрощения конструкции и усиления испытаний и верификации; однако при чрезвычайно высоких требованиях к выполнению задач и в условиях крайне сложной среды более эффективным и прямым решением является резервирование.

Сущность резервного проектирования заключается в обеспечении ключевых узлов системы резервными модулями: при выходе из строя основного канала или компонента резервный модуль автоматически и мгновенно принимает на себя функции, что гарантирует непрерывную работу системы без снижения её характеристик и обеспечивает высокую отказоустойчивость, высокий коэффициент успешного функционирования, длительный срок службы и низкий уровень эксплуатационных рисков.

Двухрекордная архитектура работает в режиме параллельной работы двух каналов: при отказе одного канала другой, исправный канал обеспечивает нормальную работу системы. Трёхрекордная архитектура обладает ещё более высокой надёжностью: при отказе одного канала процессор, используя логику «большинство решает», гарантирует стабильную работу системы. Поэтому в системах с высокими требованиями к безопасности и надёжности трёхрекордное решение является более эффективным и надёжным техническим выбором.

Рис. 1 Обнаружение ошибок в двух резервированных структурах

Рис. 2 Обнаружение ошибок в трёхрезервной структуре

1.2 Высоконадёжный датчик RVDT

Датчики являются «сенсорными нервами» современной технологической системы, ключевым мостом, соединяющим физический мир с цифровыми системами; они выполняют критически важные функции восприятия и сбора информации и служат основополагающей опорой для внедрения технологий автоматизации и интеллектуализации. От автоматического поворота экрана смартфона и высокоточной работы промышленных роботов до интеллектуального управления умным домом и научного управления «умным городом», а также до точной диагностики в медицинском оборудовании и всестороннего управления электромобилями нового поколения — во всех этих областях именно датчики обеспечивают точную информационную поддержку.

В соответствии с принципом измерения датчики подразделяются на такие типы, как оптоэлектронные, емкостные, пьезоэлектрические, индуктивные, гальваномагнитные и другие.

RVDT — это вращающийся переменный дифференциальный индуктивный датчик, то есть электромеханический датчик, относящийся к бесконтактным индуктивным датчикам, работающим на принципе электромагнитной индукции. Он предназначен для измерения угловых изменений и обладает такими характеристиками, как высокая точность, высокая надёжность, длительный срок службы и высокое разрешение, играя важную роль в таких областях, как промышленная автоматизация, аэрокосмическая отрасль и автомобильная промышленность.

Рис. 3 Внешняя структура, необходимая для работы электромеханического датчика

Индуктивные датчики работают за счёт электромагнитной связи между катушками: перемещение сердечника изменяет степень этой связи, что приводит к изменению выходного сигнала; при этом амплитуда выходного сигнала линейно зависит от величины смещения сердечника. Индуктивные угловые и линейные датчики перемещения обеспечивают бесконтактное преобразование физических сигналов в электрические сигналы, обладая высокой долговечностью и высокой точностью, что открывает широкие перспективы их применения.

Однако такие датчики требуют подключения внешних блоков возбуждения и демодуляции, что приводит к избыточному количеству периферийных компонентов и сложной конструкции. При использовании их в системах резервирования это не только увеличивает занимаемый объём и повышает сложность проектирования, но и затрудняет контроль над экономическими затратами. Кроме того, механико-электрическая конструкция и принцип магнитной взаимной индукции делают эти датчики весьма чувствительными к воздействию сильных внешних электромагнитных полей, что приводит к появлению погрешностей в результатах вычислений.

1.3 Расположение в области технологий авиационных кристаллов

Исходя из указанных проблемных моментов в области применения, компания Hangjing постоянно углубляет свои позиции в сфере сенсорных технологий и обработки сигналов, формируя комплексную технологическую и продуктовую линейку: начиная с высокотемпературного магнитофлюксометра HJ11867, она успешно добилась полной отечественной замены импортных компонентов AD598 и AD698, а также выпустила и поставила серийно интеграторы возбуждения и демодуляции для LVDT и RVDT — модели HJG598 и HJG698; далее охватила решения для измерения слабых магнитных сигналов — серию HJMAG803–HJMAG805 — и линейку высокопроизводительных холловских магниточувствительных датчиков, тем самым создав полностью интегрированное, высоконадежное решение в области сенсорных технологий, охватывающее магнитофлюксометры, системы возбуждения и демодуляции, детекцию слабых магнитных полей и холловские сенсоры.

Рис. 4 Схема трёхрезервированного холловского индукционного датчика RVDT (требуется только питание)

Рис. 5 Краткое введение в область датчиков кварцевых резонаторов

В настоящее время компания представляет новейший угловой датчик перемещения RVDT HJR402, основанный на принципе дифференциального холловского магнитного感应а. Датчик генерирует синусоидальный и косинусоидальный сигналы за счёт индукции внутреннего магнита; после высокоточного оцифрования и вычисления угла он выдаёт напряжение, линейно зависящее от углового положения. При этом датчик обеспечивает высокую точность по всему диапазону измерений, отличную помехоустойчивость и осуществляет линейное преобразование сигнала углового перемещения в электрический сигнал.

Выводы подключения продукции удобны и не требуют никаких внешних компонентов; при этом используется трёхканальная истинная резервная архитектура, в которой три канала независимо осуществляют сбор сигналов и взаимно проверяют их, что в полной мере соответствует требованиям высокой надёжности систем безопасности критического назначения и делает данное решение одним из наиболее качественных и комплексных сенсорных решений в отрасли.

2. Описание датчика HJR402

2.1 Физическая структура датчика

Рис. 6 Схема электрической принципиальной конструкции трёхрезервного холловского датчика HJR402

Электрическая структура датчика HJR402 состоит из одного постоянного магнита и трёхканального процессора на основе эффекта Холла. Все внутренние физические компоненты схемы выполнены из немагнитных материалов, что позволяет эффективно повысить точность измерений; корпус изготовлен из алюминиевого сплава и герметично установлен. Фотография реального изделия приведена ниже:

Комплект алюминиевого корпуса включает подшипник поворотного вала, шкалу, монтажные крепёжные отверстия и выводные провода. Устройство легко монтируется и просто в эксплуатации — не требует подключения каких-либо внешних компонентов. Схема размеров корпуса датчика приведена ниже.

В качестве выводных проводов используется авиационный гибкий кабель ARF-250-1/1×0,2 мм² по стандарту; длина выводных проводов — 450±20 мм (возможна индивидуальная настройка). Конкретные функции выводных контактов приведены в таблице ниже:

Таблица 1 Функции выводов

2.2 Электрические параметры датчика

Таблица 2. Таблица электрических параметров

Если не указано иное, VCC=+5 В, TA=+25 °C.

Примечание: *Гарантия проекта

2.3 Описание типовых характеристик

1. Настоящий датчик выполнен по принципу тройного резервирования: три канала датчика функционируют независимо друг от друга, их рабочие состояния и выходные сигналы не взаимно влияют на каждый из них. В случае выхода из строя любого из каналов это не повлияет на нормальную работу двух оставшихся каналов; таким образом, данный датчик относится к категории датчиков с истинным резервированием.

2. Настоящий датчик позволяет гибко настраивать диапазон выходного напряжения и диапазон измерения угла в соответствии с реальными потребностями пользователя. В режиме работы с низкой линейной погрешностью ±1% максимальный диапазон измерения угла может быть установлен на 90°; при диапазоне измерения угла 60° линейность выходной характеристики устройства повышается, а погрешность можно удерживать в пределах 0,5%. Когда угол поворота оси выходит за пределы калибровочного диапазона, выходное значение устройства сохраняет стабильное высокое или низкое состояние.

3. Настоящее изделие комплектуется постоянным магнитом с магнитной индукцией не менее 3000 Гс; его собственное рабочее магнитное поле обладает высокой напряжённостью, что обеспечивает мощное сопротивление внешним электромагнитным помехам. Как подтверждено экспериментальными испытаниями, в сложных условиях сильных электромагнитных полей максимальное отклонение выходного напряжения может быть ограничено значением не более 1,5%, а уровень помехоустойчивости примерно в три раза превышает соответствующий показатель традиционных электромеханических датчиков RVDT.

4. Настоящее изделие простое в эксплуатации, не требует подключения каких-либо дополнительных компонентов и обладает высокой точностью выходного сигнала, высокой надёжностью, хорошей согласованностью многоканальных выходов, а также исключительно высокой стойкостью к электромагнитным помехам и шуму; оно позволяет осуществлять точное преобразование углового перемещения в соответствующий электрический сигнал.

5. Поскольку выходные сигналы VO1, VO2 и VO3 пропорциональны напряжению питания VCC, рекомендуется питать их от соответствующих опорных источников питания VCC1, VCC2 и VCC3; категорически запрещается подавать питание непосредственно от цифрового напряжения 5 В.

3. Подведение итогов

На основе анализа принципа работы датчика HJR402 и сравнения его конструкции и принципа действия с традиционными электромеханическими датчиками была составлена следующая сравнительная таблица.

Таблица 3. Сравнение датчика HJR402 с универсальными электромеханическими датчиками

Как видно из приведённой выше таблицы, трёхрезервный датчик HJR402 по своим комплексным характеристикам значительно превосходит традиционные электромеханические датчики и способен полностью заменить их в высокоточных, высоконадёжных и сложных электромагнитных условиях — то есть в самых требовательных областях применения.