Giải pháp thu thập dữ liệu với hiệu quả chi phí tối ưu cho các hệ thống cảm biến nhiệt độ phân tán
24.07.2019
Giới thiệu
Thay vì sử dụng cảm biến để theo dõi nhiệt độ, hệ thống giám sát cảm biến nhiệt độ phân tán (DTS) sử dụng sợi quang học làm thiết bị cảm biến nhiệt độ. Với cáp quang cảm biến nhiệt độ được cài đặt trong khu vực được giám sát và kết nối với máy chủ, phần mềm đo lường có thể được sử dụng để hiển thị những thay đổi nhiệt độ theo thời gian thực. Hưởng lợi ích từ các ưu điểm của sợi quang, bao gồm việc không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, có thể uốn cong tự do, nhỏ gọn và dễ lắp đặt, có thể hỗ trợ phát hiện ở những khu vực rộng lớn mà không có điểm mù, hệ thống DTS đặc biệt phù hợp cho các chương trình phòng chống thiên tai, có nguy cơ cao như các sợi dây cáp điện, các đường ống dầu/khí và các bể chứa, và các đường hầm cao tốc/đường sắt.
Chất lượng của hệ thống DTS được quyết định bởi khả năng của hệ thống để theo dõi liên tục nhiệt độ của tất cả các vị trí dọc theo cáp một cách nhanh chóng và chính xác. Đối với các hệ thống tích hợp, sản phẩm dữ liệu tối ưu thu được (DAQ) phải được lựa chọn trong suốt quá trình phát triển để đảm bảo rằng hiệu năng hệ thống đáp ứng được các yêu cầu và vượt trội so với các đối thủ.
Yêu cầu hệ thống
Hệ thống DTS của công ty bao gồm một máy chủ DTS, cáp quang cảm biến nhiệt độ, phần mềm đo lường và các sản phẩm liên quan. Thông tin phân bố nhiệt độ trong không gian thu được bằng cách sử dụng hiệu ứng Raman của ánh sáng truyền trong sợi cáp quang và phản xạ kế thời gian (OTDR). Do máy chủ DTS gốc của công ty, máy tính cá nhân được trang bị khả năng thu thập dữ liệu (DAQ) không đủ tốc độ và độ phân giải, công ty muốn thay thế thiết bị phần cứng này bằng máy tính hiệu năng cao và khả năng tính toán tốc độ cao để cải thiện độ chính xác và hệ thống thu thập dữ liệu.
Tuy nhiên, phần cứng mới cần phải cung cấp hiệu suất cao với tỷ lệ giá thành/hiệu năng tốt nhất. Cụ thể, bộ số hoá cần có để hỗ trợ tốc độ lấy mẫu không dưới 100 MSPS, độ phân giải 16 bit, lấy mẫu tương tự đồng thời, truyền dữ liệu qua truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA) để xử lý nhanh hơn và bộ nhớ trên bo mạch lớn để đảm bảo hiệu năng.
Về máy tính, khách hàng yêu cầu một hệ thống được trang bị với một vi xử lý hiệu năng cao, nhiều khe cắm PCIE, và một thiết bị lưu trữ với tốc độ đọc/ghi nhanh, cũng như việc bảo vệ phù hợp để chịu được môi trường công nghiệp.
Mô tả hệ thống
Giải pháp DAQ từ Advantech bao gồm máy vi tính AiMC-3201 và bộ số hóa PCIE-1840. Đặc trưng bởi dải động rộng và tốc độ lấy mẫu cao, hệ thống cực kỳ phù hợp để sử dụng làm máy chủ cảm biến nhiệt độ quang học cho phép hệ thống DTS thu được tín hiệu tần số cao.
Bằng cách tích hợp hoàn hảo hai sản phẩm, hệ thống DAQ có khả năng kích hoạt các bộ điều biến quang âm (AOMs) điều khiển tín hiệu laser để gửi một xung laser có chiều rộng đặt trước tới bộ phát và sau đó đến cáp quang, đồng thời nhận được tín hiệu tán xạ ngược của nguồn xung laser từ đầu dò ảnh. Sau khi xử lý trên máy tính chủ, tín hiệu hiển thị phân phối nhiệt độ cho toàn bộ cáp cảm biến nhiệt độ. Bộ số hóa PCIE-1840 là thành phần quan trọng nhất trong giải pháp bởi vì phần cứng này đồng thời kích hoạt việc truyền xung laser trong khi nhận được tín hiệu tán xạ ngược. Bộ số hóa này, với tốc độ lấy mẫu lên tới 125 MSPS, độ phân giải 16bit và bốn kênh đầu vào analog đồng thời, cho phép thu thập dữ liệu chính xác và nhanh chóng. Hơn nữa, việc bao gồm 2GB bộ nhớ trên bo mạch đáp ứng các yêu cầu cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao. Truyền dữ liệu thông qua DMA với CPU độc lập giúp tăng tốc độ truyền tổng thể và giảm tải CPU.
Để tăng tốc truyền dữ liệu thông qua DMA, Advantech đã điều chỉnh trình điều khiển cho dự án này bằng cách tăng tốc độ truyền lên gấp hơn mười lần. Ngoài ra, do cường độ của chùm tia laser được xác định bởi độ rộng của xung laser, nên Advantech đã tùy chỉnh bảng PCIE-1840 với một Mảng cổng lập trình được dạng trường (FPGA) để hỗ trợ người dùng cài đặt độ rộng xung.
Triển khai dự án
Kết luận
Tốc độ lấy mẫu cao, độ phân giải, số lượng kênh, tốc độ truyền và bộ nhớ trên bo mạch của bộ số hóa tốc độ cao PCIE-1840 vượt trội so với các mẫu DAQ thông thường và số hóa mức thấp. Hiệu năng của hệ thống DTS của khách hàng tăng lên khi có máy tính hiệu năng cao AiMC-3201. Avantech cũng tùy chỉnh bảng PCIE-1840 theo nhu cầu cụ thể của họ để cải thiện đáng kể hiệu quả hệ thống tổng thể.
Cuối cùng, vì kết quả tích cực của việc giới thiệu giải pháp DAQ của Advantech, công ty khách hàng đã quyết định sao chép giải pháp này với các hệ thống khác.
/PCIE-1840_03_1_s20151127092618.jpg)
