Giải Pháp Thu Thập Dữ liệu Hiệu Năng Cao – Chi Phí Tối Ưu Cho Hệ Thống Cảm Biến Nhiệt Độ Phân Tán

Thay vì sử dụng cảm biến nhiệt độ để giám sát nhiệt độ, hệ thống giám sát cảm biến nhiệt độ phân tán (DTS) sử dụng sợi quang làm thiết bị cảm biến nhiệt độ. Khi cáp sợi quang cảm biến nhiệt độ được lắp đặt trong khu vực cần giám sát và kết nối với máy tính chủ, phần mềm đo lường có thể hiển thị sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian thực.

Nhờ tận dụng các ưu điểm của sợi quang như: không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, dễ uốn cong, nhỏ gọn và dễ lắp đặt. Cùng với đó là khả năng hỗ trợ phát hiện trên diện rộng, không có điểm mù. Hệ thống DTS đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng có rủi ro cao hoặc phòng chống thảm họa, như cáp điện, đường ống dẫn dầu/khí và bồn chứa, cũng như đường hầm cao tốc/đường sắt.

Chất lượng của hệ thống DTS được thể hiện qua khả năng giám sát nhiệt độ liên tục, nhanh chóng và chính xác tại mọi vị trí dọc theo cáp. Đối với các nhà tích hợp hệ thống, cần lựa chọn sản phẩm thu thập dữ liệu (DAQ) tối ưu trong giai đoạn phát triển để đảm bảo hiệu suất hệ thống đáp ứng yêu cầu thị trường và vượt trội so với đối thủ cạnh tranh.

Hệ thống DTS của công ty bao gồm máy chủ DTS, cáp sợi quang cảm biến nhiệt độ, phần mềm đo lường và các sản phẩm liên quan.  Thông tin phân bố nhiệt độ không gian được thu thập bằng cách sử dụng hiệu ứng Raman của ánh sáng truyền trong sợi quang và thiết bị phản xạ miền thời gian quang học (OTDR).

Do máy chủ DTS ban đầu của công ty (một máy tính cá nhân tích hợp DAQ) không đáp ứng đủ về tốc độ và độ phân giải, nên công ty mong muốn thay thế bằng một máy tính hiệu năng cao kết hợp với bộ số hóa tốc độ cao, nhằm cải thiện độ chính xác trong thu thập dữ liệu và tăng tốc độ hệ thống. Tuy vậy, phần cứng mới cũng cần đảm bảo tỷ lệ hiệu năng trên chi phí hợp lý.    

Cụ thể, bộ số hóa cần hỗ trợ tốc độ lấy mẫu không dưới 100MSPS, độ phân giải 16-bit, lấy mẫu tương tự đồng thời, truyền dữ liệu qua cơ chế truy cập bộ nhớ trực tiếp (DMA) để xử lý nhanh hơn, và bộ nhớ tích hợp dung lượng lớn nhằm đảm bảo hiệu quả.

Đối với máy tính, khách hàng yêu cầu hệ thống được trang bị bộ xử lý hiệu năng cao, nhiều khe cắm PCIe, thiết bị lưu trữ có tốc độ đọc/ghi nhanh, đáp ứng môi trường công nghiệp.

• PCIE-1840: 125/80 MS/S, 16bit, 4 chSimultaneous Digitizer
• IPC-220: Compact Industrial Computer System with 10th Gen Intel® Core™ i CPU Socket (LGA 1200)

Giải pháp DAQ của Advantech bao gồm máy tính công nghiệp siêu nhỏ gọn IPC-220 và bộ số hóa PCIE-1840.

Với đặc điểm dải động rộng và tốc độ lấy mẫu cao, hệ thống này đặc biệt phù hợp làm máy chủ cảm biến nhiệt độ sợi quang, giúp hệ thống DTS thu nhận tín hiệu tần số cao.

Bằng cách tích hợp hoàn hảo hai sản phẩm, hệ thống DAQ có khả năng kích hoạt bộ điều biến quang âm (AOM) để điều khiển tia laser phát xung laser với độ rộng xung định sẵn tới bộ truyền, sau đó vào cáp sợi quang, đồng thời nhận tín hiệu tán xạ ngược của xung laser từ bộ biến đổi quang điện.

Sau khi được xử lý trên máy chủ, tín hiệu sẽ hiển thị phân bố nhiệt độ trên toàn bộ cáp cảm biến nhiệt độ.

Bộ số hóa PCIE-1840 là thành phần quan trọng nhất của giải pháp, vì đây là phần cứng đồng thời kích hoạt truyền xung laser và nhận tín hiệu tán xạ ngược.  

Bộ số hóa này, với tốc độ lấy mẫu lên tới 125 MSPS, độ phân giải 16-bit và 4 kênh đầu vào tương tự đồng thời, cho phép thu thập dữ liệu chính xác và nhanh chóng.  Ngoài ra, việc tích hợp bộ nhớ trong 2 GB đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao.  

Truyền dữ liệu thông qua DMA độc lập với CPU giúp tăng tốc độ truyền tổng thể và giảm tải cho CPU. Để tăng tốc hơn nữa việc truyền dữ liệu qua DMA, Advantech đã điều chỉnh trình điều khiển cho dự án này, nâng tốc độ truyền lên hơn 10 lần.

Ngoài ra, do cường độ tia laser được quyết định bởi độ rộng xung laser, Advantech đã tùy chỉnh bo mạch PCIE-1840 với mạch logic lập trình được (FPGA) để hỗ trợ người dùng thiết lập độ rộng xung. 

Tốc độ lấy mẫu cao, độ phân giải, số lượng kênh, tốc độ truyền và bộ nhớ tích hợp của bộ số hóa tốc độ cao PCIE-1840 của Advantech vượt trội so với các mẫu DAQ thông thường và các bộ số hóa cấp thấp.  

Hiệu suất của hệ thống DTS của khách hàng đã được cải thiện nhờ tích hợp máy tính siêu nhỏ hiệu năng cao AiMC-3201.  Advantech cũng đã tùy chỉnh bo mạch PCIE-1840 theo nhu cầu cụ thể của khách hàng để nâng cao đáng kể hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Cuối cùng, nhờ những kết quả tích cực khi triển khai giải pháp DAQ của Advantech, công ty khách hàng đã quyết định áp dụng giải pháp này cho các hệ thống khác.