УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БЕСПРОВОДНОГО ДАТЧИКА Российский патент 2017 года по МПК G05B23/00 G01L23/22 G01F23/00 G01K15/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области регулирования и управления в системах автоматизации, в частности к устройству и способу контроля работоспособности беспроводного датчика.

Уровень техники

Известно решение: US 4844038 A, в котором предлагается способ обнаружения неправильной работы датчика концентрации выхлопных газов в двигателе внутреннего сгорания, оснащенного системой управления подачи топлива, которая управляет количеством топлива, подаваемого в двигатель с учетом обратной связи, связанной со значением коррекции соотношения воздух-топливо, установленным в ответ на выходной сигнал от датчика. Выходной сигнал датчика отслеживается с момента первого заданного периода времени, прошедшего с момента от запуска двигателя. Датчик диагностируется как неисправный, если выходной сигнал имеет по существу постоянное значение в течение второго заданного периода времени, прошедшего после первого заранее определенного периода времени. Первый заданный период времени соответствует временной задержке в росте выходного сигнала. Второй заданный период времени устанавливается таким образом, что сумма периода первого и второго заранее заданного промежутка времени короче, чем период времени, в течение которого датчик должен полностью активироваться после запуска двигателя.

Но в данном решении не задаются условия, при которых считается, что «выходной сигнал имеет по существу постоянное значение», что приводит к неопределенности в контроле неисправности, в частности обледенения, то есть снижается эффективность определения неисправности датчика.

Известно выбранное в качестве прототипа решение RU 2266555, в котором предлагаются способ и устройство для контроля датчика, наиболее предпочтительно датчика для измерения величины, характеризующей давление подаваемого в двигатель внутреннего сгорания (ДВС) воздуха. Согласно изобретению неисправность датчика выявляют по отсутствию изменения его выходной величины в ответ на соответствующее изменение некоторого рабочего параметра, например количества впрыснутого топлива. При этом контроль датчика могут осуществлять, например, только при наличии каких-либо определенных режимов работы. В случае выхода датчика из строя для управления двигателем используют эквивалентное значение. Такое эквивалентное значение может быть сформировано на основании величин, характеризующих режим работы ДВС, например вычислено на основании частоты вращения и/или количества впрыснутого топлива. Также в качестве указанного эквивалентного значения может быть использовано значение, полученное и сохраненное ранее, до неисправности датчика.

Но в данном решении не задаются условия, при которых считается, что имеет место «отсутствие изменения его (датчика) выходной величины», что приводит к неопределенности в контроле неисправности, в частности обледенения, то есть снижается эффективность определения неисправности датчика.

Раскрытие изобретения

В одном аспекте изобретения раскрыто устройство контроля работоспособности беспроводного датчика, содержащее:

- блок опроса, выполненный с возможностью запрашивания показаний от беспроводного датчика и сохранения их в блоке памяти, причем блок опроса выполнен с возможностью осуществления опроса с первой частотой опроса в начальный период времени и с возможностью осуществления опроса со второй частотой опроса в последующие периоды времени, причем вторая частота опроса является более низкой, чем первая частота опроса;

- блок памяти, выполненный с возможностью хранения показаний от беспроводного датчика;

- блок анализа, выполненный с возможностью выявления шумового компонента в сохраненных показаниях от беспроводного датчика и вычисления значения СКО (среднеквадратического отклонения) шумового компонента и записи этого значения в блок памяти;

- блок контроля, выполненный с возможностью определения изменений запрошенных показаний от беспроводного датчика и выдачи сигнала неисправности, если изменения запрошенных показаний от беспроводного датчика не выходят за 6 СКО в течение предварительно определенного времени Т_конт,

причем блок опроса, блок памяти, блок анализа, блок контроля функционально связаны друг с другом непосредственно или опосредовано посредством линий связи.

В дополнительном аспекте изобретения раскрыто устройство, в котором беспроводной датчик представляет собой по меньшей мере один из датчика давления, датчика плотности, датчика уровня.

В дополнительном аспекте изобретения раскрыто устройство, в котором блок опроса, блок памяти, блок анализа, блок контроля функционально объединены в одном корпусе.

В дополнительном аспекте изобретения раскрыто устройство, в котором блок анализа выполнен с возможностью определять СКО на основании предварительно заданного количества первых значений запрошенных показаний от беспроводного датчика.

В дополнительном аспекте изобретения раскрыто устройство, в котором блок анализа выполнен с возможностью определять СКО на основании запрошенных показаний от беспроводного датчика в течение предварительно заданного временного интервала.

В дополнительном аспекте изобретения раскрыто устройство, в котором блок анализа выполнен с возможностью выявлять шумовой компонент в предварительно заданные периоды времени.

В дополнительном аспекте изобретения раскрыто устройство, в котором блок контроля выполнен с возможностью определения изменения запрошенных показаний от беспроводного датчика и выдачи сигнала неисправности, если изменение запрошенных показаний от беспроводного датчика не выходит за 8 СКО в течение предварительно определенного времени.

В дополнительном аспекте изобретения раскрыто устройство, в котором блок контроля выполнен с возможностью увеличивать Т_конт в случае, если сигнал неисправности был впоследствии определен как ложный, причем Т_конт увеличивают до величины временной продолжительности, при которой запрошенные показания от беспроводного датчика впервые превысили 6 СКО.

В дополнительном аспекте изобретения раскрыто устройство, в котором блок контроля выполнен с возможностью выдачи сигнала неисправности при условии отрицательной температуры беспроводного датчика.

В дополнительном аспекте изобретения раскрыто устройство, в котором блок контроля выполнен с возможностью игнорировать изменения запрошенных показаний от беспроводного датчика, выходящие за 6 СКО, единожды в течение предварительно определенного времени Т_ошиб.

В другом аспекте изобретения раскрыт способ контроля работоспособности беспроводного датчика, содержащий этапы на которых:

- посредством блока опроса опрашивают беспроводной датчик, принимают и сохраняют полученные сигналы в блоке памяти, причем опрос датчика осуществляют с первой частотой опроса;

- выявляют шумовой компонент в сохраненных сигналах от беспроводного датчика и вычисляют значение СКО (среднеквадратическое отклонение) шумового компонента посредством блока анализа;

- сохраняют вычисленное значение СКО в блоке памяти;

- далее посредством блока опроса опрашивают беспроводной датчик, принимают и сохраняют полученные сигналы в блоке памяти, причем опрос датчика осуществляют со второй частотой опроса более низкой, чем первая частота опроса;

- определяют изменения принимаемых сигналов от беспроводного датчика и выдают сигнал неисправности, если изменения сигналов от беспроводного датчика не выходят за 6 СКО в течение предварительно определенного времени Т_конт посредством блока контроля.

Основной задачей, решаемой заявленным изобретением, является обеспечение контроля работоспособности датчика.

Сущность изобретения заключается в том, что контролируют, имеются ли изменения показаний датчика на определенную величину в течение заранее заданного периода времени, если нет, то делают вывод, что датчик неисправен, то есть имеет место «застывание» (фиксация датчика в одном положении, приводящая к отсутствию изменения его показаний даже при изменении измеряемого им параметра) датчика вследствие обледенения, коррозии, загрязнения, заклинивания и т.п. При этом для повышения энергоэффективности упомянутую пороговую величину определяют, первоначально опрашивая датчик с высокой частотой, а затем уменьшают частоту опроса датчика.

Технический результат, достигаемый решением, заключается в повышении надежности и точности определения неисправности, в частности застывания датчика энергоэффективным способом.

Осуществление изобретения

В любых автоматизированных или автоматических производственных процессах используется множество датчиков, контролирующих параметры протекания процесса, например датчики давления, температуры, уровня, тока, напряжения, вибрации, ускорения и т.д.

В некоторых условиях датчик может быть исправен, сигнал от него поступает, но из-за механического «застывания» преобразователя датчика сигнал от датчика остается постоянным. Преобразователь датчика может «застыть» вследствие обледенения, заклинивания, попадания грязи или из-за начавшегося коррозионного процесса.

Не все датчики подвержены такому виду неисправности, однако датчики, которые находятся на открытом воздухе, и преобразователи которых являются механическими, чаще всего подвержены риску ошибочных показаний вследствие застывания преобразователя.

В некоторых исполнениях датчики могут иметь функцию самодиагностики, но самодиагностика, как правило, не покажет, что датчик замерз или загрязнился, она может лишь показать неисправность внутренних элементов датчика, тогда как причина его неисправности во внешних причинах.

Например, поплавковый датчик уровня может обледенеть при понижении температуры ниже нуля или иной температуры замерзания технологической жидкости и не показывать изменение уровня жидкости, оставаясь примерзшим в одном положении.

Оптический датчик может загрязниться так, что на его преобразователь не будет поступать световой сигнал, и он будет всегда выдавать одно значение.

Пружину пружинного манометра может заклинить, например, вследствие начавшегося под действием агрессивной среды коррозионного процесса, в таком случае датчик будет всегда выдавать один и тот же сигнал вне зависимости от давления окружающей среды.

Для обнаружения такого «застывания» датчика авторами предложено проверять датчик на отсутствие изменений в его показаниях в течение заданной продолжительности времени. То есть если контролируемый при помощи датчика процесс идет, а изменения показаний датчика ниже определенного порога, то можно сделать вывод, что датчик неисправен, в частности он застыл.

В идеальных условиях без шума застывший датчик выдавал бы абсолютно одинаковые показания, но в реальных условиях из-за наличия шума, показания датчика меняются в некоторых пределах, соответственно, можно сделать вывод о работоспособности датчика в зависимости от того, в каких пределах меняются показания датчика. Если показания меняются в некотором пределе, определяемом параметрами шумового компонента, то справедливо сделать вывод, что датчик измеряет лишь шум, если такая ситуация имеет место длительное время, то справедливо сделать вывод, что преобразователь датчика «застыл» в одном положении.

В некоторых вариантах предлагаемой методикой среди прочих можно успешно контролировать датчики, которые измеряют некоторые параметры, которые условно можно назвать постоянными. Например, датчик температуры, реализованный как пирометр, измеряющий температуру охлаждаемого технологического объекта в идеале (при хорошей работе системы охлаждения этого объекта), должен выдавать одно и то же значение, и лишь в случае неисправности системы охлаждения его показания будут повышаться. Если же датчик по каким-то причинам «застыл», например оказался случайно чем-то закрыт или загрязнен, то его показания «застынут». Без должного контроля такой неисправности возможна ситуация, в которой на технологическом объекте произойдет авария.

Но измеряемые параметры лишь условно можно назвать постоянными, так как в силу естественным образом изменяющихся условий окружающей среды, по сути, любой датчик в течение дня изменяет свои показания в диапазоне, большем, чем ЗСКО шумового компонента. На это влияет изменение освещенности, связанное со сменой дня и ночи, изменение температуры, вызванное притоком солнечного света, естественные колебания атмосферного давления, суточные изменения влажности и т.п. Кроме того, как правило, изменения в технологическом процессе, как правило, приводят к изменениям условно постоянных параметров, уменьшение нагрузки на двигатель приводит к меньшему его нагреву, остывание технологической жидкости или газа приводит к уменьшению давления и т.п. Таким образом, правильно настроив предложенное устройство, можно контролировать работоспособность датчика, измеряющего условно постоянные параметры.

Очевидно, что частота, с которой получают показания датчиков, с одной стороны, должна быть настолько высокой, чтобы достаточно оперативно определить, что датчик застыл, а с другой стороны, не настолько высокой, чтобы изменения между соседними показаниями датчиков были очень малы в силу инерционности контролируемого датчиком процесса. В одном варианте осуществления частота получения показаний больше или равна обратной величине времени переходного процесса в контролируемом датчиком технологическом процессе и меньше обратной величины времени технологического процесса или этапа технологического процесса.

Аналогичная ситуация и с датчиками, которые отслеживают технологически меняющиеся параметры: может возникнуть ситуация, когда в какой-то момент датчик «застынет» (из-за обледенения, загрязнения, заклинивания) и технологический процесс пойдет некорректно, что может привести к аварийной ситуации. Например, пирометр оказался случайно закрыт, стал показывать неверные значения, и это привело к чрезмерному нагреву или охлаждению контролируемого им объекта.

Например, если пирометром контролируется процесс приготовления расплава, то очевидно, что в начале процесса температура емкости для вмещения расплава будет низкой, затем она будет повышаться, а при удалении расплава из емкости, снова понизится.

Если в какой-то момент пирометр окажется неработоспособным (его показания застынут) из-за случайного загрязнения или закрытия приемника излучения, то контроль приготовления расплава будет некорректным, что может привести к аварии или неполучению расплава с предполагаемыми свойствами.

Предложенное изобретение отслеживает показания пирометра, и если его показания в течение заданного времени почти не меняются (меняются в пределах диапазона, определяемого белым гаусовским шумом), выдает сигнал неисправности пирометра.

Для определения изменения сигнала сравниваются два последовательно полученных показания сигнала, если их разность меньше 6 СКО заранее определенного для этого сигнала, делается вывод, что изменения обусловлены лишь шумом, если такой вывод получают на протяжении предварительно заданного времени, например времени, требующегося на нагрев расплава, времени, требующегося на его остывание, предварительно заданной длительности, например, 1, 2, 3, 4, 8, 12, 24 часов, то делают вывод о неисправности датчика. Конкретное время для каждого процесса выбирается индивидуально, исходя из особенностей конкретного контролируемого процесса и конкретного контролируемого в рамках процесса параметра.

Время между последовательными измерениями сигналов выбирается таким, чтобы за это время контролируемый параметр мог измениться на достаточно большое значение (достаточно больше в данном случае – значение, превышающее 6 СКО). Очевидно, что расплав не может поменять свою температуру мгновенно, еще большую временную инерционность имеет температура емкости для расплава, поэтому если измерять температуру емкости слишком часто, то изменения сигнала будут определяться в основном шумовым компонентом сигнала, а не информационным.

Время между последовательными измерениями сигналов может быть оценено теоретически или определено эмпирически на основании ранее полученных с работоспособного датчика данных. Например, заранее измеряется зависимость температуры емкости от времени, определяется скорость изменения температуры на этапах нагрева, остывания, поддержания постоянной температуры. Определяется время изменения температуры емкости на 6 СКО, это время для каждого упомянутого этапа принимается минимальным временем между последовательными измерениями сигналов. В другом варианте самое меньшее, самое большее или среднее время изменения температуры емкости на 6 СКО принимаются минимальным временем между последовательными измерениями сигналов.

Максимальное время между последовательными измерениями сигналов определяется временем безопасной неработоспособности датчика.

Если время безопасной неработоспособности датчика меньше времени изменения температуры емкости на 6 СКО, то необходимо уменьшать шумы, воздействующие на датчик, или использовать более сложную математическую обработку сигнала с датчика (например, усреднение, интерполяцию сигнала датчика).

Конкретные значения времени контроля, времени между последовательными измерениями сигналов (периодичности выборки), а также подходы к их определению или выбору не относятся к сущности заявленного решения, которая заключается в анализе изменений показаний сигнала с датчика на фоне всегда имеющего место аддитивного белого гаусовского шума. Определение СКО шума и последующее сравнение изменений сигнала со значением 6 СКО обеспечивает надежный и точный контроль конкретного вида неисправности датчика, кроме того, сравнение именно с СКО данного конкретного датчика, а не некоторой задаваемой величиной приводит к самоадаптации заявленного устройства к особенностям работы конкретного датчика, что упрощает настройку устройства и повышает удобство его использования.

В одном варианте осуществления устройство для контроля работоспособности датчика представляет собой контроллер, который при помощи линии связи присоединен к одному или более датчикам, принимает от них сигналы, анализирует их, сохраняет во встроенной или внешней памяти, делает вывод о наличии неисправности, выводит сигнал в случае обнаружения неисправности.

Предложенное устройство функционирует следующим образом.

Работающий датчик формирует сигнал, который передает на контроллер, контроллер принимает сигнал датчика, оцифровывает его и сохраняет в памяти, встроенной или внешней, далее блок анализа выявляет параметры шумового компонента в сохраненных сигналах.

Предполагается, что сигнал с датчика содержит информационный компонент и шумовой компонент, который является аддитивным белым гаусовским шумом, то есть его значения распределены во времени по нормальному закону. Известно, что практически все значения нормально распределенной случайной величины лежат в интервале 3 СКО (среднеквадратичной отклонение). Точнее говоря, с вероятностью 0,9973 значение нормально распределенной случайной величины лежит в указанном интервале.

Основным параметром шума, который необходимо выявить, является СКО, для его нахождения используется стандартная формула:

где x_i - i-й элемент выборки; n - объем выборки; - среднее арифметическое выборки.

Так как в случае присутствия в измеряемом сигнале только шумового компонента почти все значения лежат в пределах 3 СКО, то максимальное изменение (разность) двух соседних величин с вероятностью более чем 0,9973 лежит в пределах 6 СКО.

Контроллер (блок управления) вычисляет значение 6 СКО и вычисляет значения разности между каждой парой последовательно снятых с датчика сигналов, получая совокупность значений разности последовательно снятых сигналов (совокупность значений изменения сигналов). Далее блок управления каждое вычисленное значение изменения сигналов сравнивает со значением 6 СКО. При этом если все значения изменения сигналов от датчика меньше 6 СКО, то с вероятностью 0,9973 можно сделать вывод о том, что измеряется только шумовой компонент, на фоне некоторой постоянной величины. В этом случае блок управления выдает сигнал о неисправности. Если же по меньшей мере одно из вычисленных значений изменения сигналов от датчика больше значения 6 СКО, то с вероятностью более 0,9973 можно сделать вывод о том, что в измеряемом сигнале кроме шумового компонента присутствует меняющийся во времени информационный компонент, то есть можно сделать вывод, что датчик не застыл. В этом случае сигнал о неисправности не идет.

Возможны варианты с мультипликативным шумом, узкополосным шумом, импульсным шумом и т.д., эти вопросы отдельно не рассматриваются в данной заявке, но очевидно, что любой из этих факторов может быть дополнительно учтен при анализе и выявлении шумового компонента в сигнале датчика.

Сетевые помехи, имеющие периодический характер, предпочтительно должны отфильтровываться и при анализе характеристик шумового сигнала и при сравнении значений принимаемого сигнала.

Если при измерении шумового компонента имеет место изменение среднего значения принимаемого сигнала, то это можно учесть посредством линейной аппроксимации принимаемого сигнала, или используя иную подходящую известную в уровне техники математическую методику.

В контроллере блок опроса, блок памяти, блок анализа, блок контроля могут быть реализованы на одной микросхеме, связаны друг с другом посредством шин данных, и могут быть реализованы посредством множества микросхем, объединенных на одной плате или находящихся в одном корпусе. Связь между упомянутыми блоками осуществляется через линии передачи данных любого вида по любому известному в уровне техники протоколу связи.

В одном варианте осуществления блок анализа выявляет шумовой компонент до того, как блок контроля начинает определять изменения значений принимаемого сигнала относительно друг друга, то есть блок анализа анализирует первые N значений сигнала, находит из них СКО, и затем начинает работу блок контроля. В другом варианте блок анализа выполнен с возможностью работать в течение предварительно заданного времени, например, М минут после включения оборудования, а затем начинает работу блок контроля. В одном варианте блок анализа прекращает анализ новых выборок после того, как найдено СКО и активируется только после выполнения предварительно заданного условия, например, повторного включения питания.

Так как внешние условия могут изменяться, и, соответственно, может изменяться и СКО, то предпочтительно, чтобы СКО постоянно вычислялось на основе актуальных данных и его значение постоянно обновлялось. Возможны варианты, что в ходе технологического процесса включается или выключается дополнительное оборудование, которое приводит к увеличению или уменьшению уровня шума в принимаемом с датчика сигнале, то есть изменению его СКО.

В одном варианте блок анализа и блок контроля работают по существу одновременно. При этом блок анализа может постоянно дополнять полученные данные и вычислять СКО, используя все сохраненные в памяти данные или же постоянно обновлять СКО, используя выборки, полученные за последнее время или последние по очередности выборки, что позволяет адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. Например, при повышении температуры окружающей среды или вследствие особенностей технологического процесса актуальное СКО датчика температуры повышается, соответственно, если использовать устаревшее значение СКО, то можно пропустить застывание датчика из-за того, что актуальный шумовой компонент с высокой вероятностью превышает значение, равное 6, устаревшим СКО.

Если технологический процесс поэтапный, то блок анализа предпочтительно выполнен с возможностью выявлять шумовой компонент в предварительно заданные периоды времени, в которые технологический процесс меняется, чтобы адаптировать значение СКО датчика к изменению технологического процесса.

В одном варианте осуществления блок контроля выполнен с возможностью выдачи сигнала неисправности, даже если изменения сигналов от датчика выходят за 6 СКО в течение предварительно определенного времени Т_конт, но только в небольшом предварительно заданном числе измерений или однократно в течение времени Т_ошиб более короткого, чем время Т_конт. Например, если изменения сигналов от датчика выходят за 6 СКО только несколько раз, что определяется мощностью других составляющих шума, кроме белого гаусовского (например, импульсных помех), количеством измерений, принятых от датчика (понятно, что в случае снятия тысячи показаний довольно велика вероятность, что случайное значение белого гаусовского шума превысит единожды 3 СКО), блок контроля делает вывод, что эти данные случайны и датчик застыл. Т_ошиб может быть выбрано в зависимости от частоты, с которой оцифровываются показания датчика. Если показания датчика снимаются раз в минуту, то очевидно, что Т_ошиб должно быть не менее 5-10 минут, это время может быть определено, в частности, экспериментально или оценено на основании общего уровня шума кроме аддитивного белого гаусовского.

Предварительно определенное время Т_конт выбирается таким, чтобы не вызывать ложных срабатываний устройства контроля работоспособности датчика, то есть если контролируемый при помощи датчика процесс длится час, то время Т_конт задается сравнимым с часом и т.д. Если время Т_конт будет слишком коротким, то велика вероятность того, что показания датчика и не должны за такое короткое время меняться, поэтому предложенное изобретение часто будет определять неработоспособность исправного датчика. Если время Т_конт будет слишком длинным, то можно пропустить момент, когда датчик вышел из строя. Целесообразно выбирать время Т_конт равным по длительности продолжительности контролируемого технологического процесса или одного или нескольких этапов технологического процесса, предпочтительно, на этих этапах технологически должно быть предусмотрено изменение показаний датчика больше чем на 6 СКО.

В одном варианте если предложенное устройство выдает сигнал неисправности, который впоследствии оказался ложным, то значение времени Т_конт увеличивают до величины временной продолжительности, при которой сигнал от датчика впервые превысит 6 СКО. Что позволяет уменьшить частоту ложных сигналов о неисправности датчика от предложенного устройства.

В случае цифровой реализации предложенного устройства частота получения сигнала от датчика также является важным параметром, влияющим на работоспособность предложенного изобретения, так как при частоте получения сигнала намного выше скорости изменения сигнала, относительные изменения информационного сигнала будут значительно меньше 6 СКО. Поэтому частоту получения сигнала от датчика подбирают такой, чтобы она была больше времени переходных процессов в контролируемом объекте.

Предложенный подход приводит к самоадаптации устройства контроля работоспособности датчика, во-первых, устройство само находит те диапазоны изменения сигнала, в которых можно оценивать работоспособность датчика, в аспекте того не застыл ли он, во-вторых, устройство само обновляет время, в течение которого сигнал датчика может меняться в диапазоне изменения лишь шумового компонента. Что повышает эффективность работы предложенного устройства, так как не требует его настройки.

В одном из вариантов осуществления устройство контроля работоспособности датчика выполнено с возможностью определения изменения принимаемых сигналов от датчика и выдачи сигнала неисправности, если изменение сигналов от датчика не выходит за 8 СКО в течение предварительно определенного времени, что уменьшает вероятность неверного вывода о работоспособности датчика вследствие большого количества случайных шумов отличных от белого аддитивного гаусовского шума, приводящих к выходу измеряемого от датчика за пределы 6 СКО.

Очевидно, что при очень большом уровне шумов и малых изменениях в параметрах контролируемого процесса возможен вариант, что предложенные способ и устройство будут с большой частотой выдавать ложные сигналы о неисправности датчика. В таком случае необходимо предпринимать меры для уменьшения общего уровня шумов на объекте и датчике, вводить дополнительные критерии оценки работоспособности датчика либо использовать предложенное изобретение лишь на тех датчиках, изменения показаний которых вследствие особенностей технологического процесса значительно больше, чем изменения вследствие шумов.

В одном из вариантов осуществления устройство контроля работоспособности датчика получает сигнал о температуре окружающей среды, в которой находится контролируемый датчик, и выдает сигнал о неисправности только в случае понижения температуры ниже нуля градусов по Цельсию, что актуально для датчиков, для которых имеется риск замерзания (обледенения) прежде всего. Такое решение позволяет уменьшить частоту ложных сигналов о неисправности.

Часто технологические процессы связаны друг с другом, например повышение температуры газа приводит к повышению его давления, повышение температуры твердого тела или жидкости - к увеличению его объема, поэтому в одном варианте осуществления устройство контроля работоспособности принимает сигналы от по меньшей мере двух датчиков, измеряемые параметры которых коррелированы друг с другом, и если показания первого датчика изменяются больше чем на 6 СКО первого датчика, а показания второго датчика не изменяются больше чем на 6 СКО второго датчика, то блок контроля выдает сигнал неисправности второго датчика. В другом варианте осуществления заявленное устройство представляет собой функциональный блок, содержащий корпус, в котором посредством сборочных операций заключены средства приема сигналов от по меньшей мере одного датчика (входные терминалы (разъемы, клеммы), линии связи, порты ввода в средства обработки), средства обработки сигналов (процессор(ы), контроллер(ы), микроконтроллер(ы),), выполненные с возможностью выявления шумовых компонентов, информационных компонентов, контроля изменений показаний в принятых сигналах, средства хранения сигналов (оптическое, или магнитное запоминающее устройство, ОЗУ или ПЗУ и т.п.), средство индикации (акустический индикатор, световой индикатор, механический индикатор и т.п.). Причем все упомянутые средства находятся в функциональном и конструктивном единстве, объединены друг с другом напрямую или опосредовано посредством линий связи.

Устройство работает следующим образом: посредством блока опроса запрашиваются показания датчика, осуществляется прием сигналов от датчика и принятые сигналы сохраняются в блоке памяти; посредством блока анализа выявляется шумовой компонент в сохраненных сигналах от датчика и вычисляется значение СКО (среднеквадратическое отклонение) шумового компонента; в блок памяти записывается вычисленное значение СКО; посредством блока контроля определяется изменение принимаемых сигналов от датчика и выдается сигнал неисправности, если изменения сигналов от датчика не выходят за 6 СКО в течение предварительно определенного времени Т_конт.

В случае использования беспроводных датчиков, время работы которых сильно ограничено аккумуляторами, для экономии энергии целесообразно уменьшать частоту их опроса. Однако если частота опроса будет низкой, то для достоверного получения СКО сигнала с датчика необходимо ожидать длительное время, в течение которого можно пропустить момент появления неисправности датчика.

Для вычисления СКО с приемлемой точностью необходимо получить по меньшей мере 100 показаний, если показания снимают, например, раз в минуту, то только по истечении 100 минут будет получено СКО, которое в дальнейшем может использоваться для анализа работоспособности датчика. Для большей точности необходимо больше 100 показаний, соответственно, повышается время, после которого по факту начнется контроль работоспособности.

Для устранения этого эффекта было предложено в начальный период времени, например, после подачи питания на устройство контроля работоспособности или в момент начала контролируемого технологического процесса, опрашивать датчик с более высокой частотой опроса, например 100 раз в секунду, чтобы собирать выборку для вычисления СКО за короткое время, около 1 секунды.

Длительность начального периода времени не является существенной, ее наибольшая величина определяется длительностью контролируемого процесса, понятно, что длительность начального периода времени должна быть намного меньше длительности контролируемого процесса. На практике длительность начального периода времени определяется исходя из количества показаний для вычисления СКО и частоты опроса. В одном из вариантов количество показаний выбирают из диапазона 100-10000, предпочтительно 100-1000, еще более предпочтительно 200-500, еще более предпочтительно 250. Частоту опроса в начальный период времени можно задавать максимальной поддерживаемой датчиком.

Дальнейший опрос датчика может осуществляться с любой подходящей для данного процесса частотой, например определенное число раз за технологический цикл или определенное число раз в минуту, час, сутки.

Такое решение позволяет сэкономить энергию датчика с одной стороны и обеспечить большую скорость выхода предложенного устройства в режим контроля из режима предварительного сбора данных, то есть обеспечивает энерго- и временную эффективность контроля работоспособности беспроводного датчика.

Возможен вариант, в котором с первой частотой опроса получают показания датчика в течение заданного времени или, например, получают определенное количество показаний, что определяется особенностями технологического процесса и особенностями работы беспроводного датчика.

Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании и знаний уровня техники, станут очевидны и другие варианты осуществления изобретения, не выходящие за пределы сущности и объема данного изобретения.

Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.

Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.

В одном варианте осуществления блоки предложенного устройства находятся в общем корпусе, связаны друг с другом конструктивно и функционально посредством монтажных (сборочных) операций. В одном варианте осуществления все блоки предложенного устройства реализованы в одном программно-аппаратном средстве, например, таком как микроконтроллер, контроллер, плата ввода/вывода, специализированная микросхема, компьютер или иное вычислительное средство, имеющее возможность приема, обработки и вывода сигналов.

Способы, раскрытые здесь, содержат один или несколько этапов или действий для достижения описанного способа. Этапы и/или действия способа могут заменять друг друга, не выходя за пределы объема формулы изобретения. Другими словами, если не определен конкретный порядок этапов или действий, порядок и/или использование конкретных этапов и/или действий может изменяться, не выходя за пределы объема формулы изобретения.

В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации блоков на чертежах, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность изобретения не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления изобретения могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.

Хотя отдельно не упомянуто, но очевидно, что, когда речь идет о хранении данных, программ и т.п., подразумевается наличие машиночитаемого носителя данных, примеры машиночитаемых носителей данных включают в себя постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, регистр, кэш-память, полупроводниковые запоминающие устройства, магнитные носители, такие как внутренние жесткие диски и съемные диски, магнитооптические носители и оптические носители, такие как диски CD-ROM и цифровые универсальные диски (DVD), а также любые другие известные в уровне техники носители данных.

Несмотря на то что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкое изобретение, и что данное изобретение не должно ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.

Признаки, упомянутые в различных зависимых пунктах формулы, а также реализации, раскрытые в различных частях описания, могут быть скомбинированы с достижением полезных эффектов, даже если возможность такого комбинирования не раскрыта явно.

Любые числовые значения, изложенные в материалах настоящего описания или на фигурах, предназначены для включения всех значений от нижнего значения до верхнего значения приращениями в один единичный элемент, при условии что есть интервал по меньшей мере в два единичных элемента между любым нижним значением и любым верхним значением. В качестве примера, если изложено, что величина составляющей или значения технологического параметра, например, такого как температура, давление, время, и тому подобное, например, имеет значение от 1 до 90, предпочтительно от 20 до 80, более предпочтительно от 30 до 70, подразумевается, что значения, такие как от 15 до 85, от 22 до 68, от 43 до 51, от 30 до 32, и т.д., в прямой форме перечислены в этом описании изобретения. Что касается значений, которые являются меньшими, чем единица, при необходимости, один единичный элемент считается имеющим значение 0,0001, 0,001, 0,01 или 0,1. Таковые являются всего лишь примерами того, что определенно подразумевается, и все возможные комбинации многочисленных значений между перечисленными самым низким значением и самым высоким значением должны считаться изложенными в прямой форме в этой заявке подобным образом.

Группа изобретений относится к контролю элементов систем управления. Устройство контроля работоспособности беспроводного датчика содержит блок опроса, блок памяти, блок анализа и блок контроля. Блок опроса выполнен с возможностью запрашивания показаний от беспроводного датчика и сохранения их в блоке памяти. Блок памяти выполнен с возможностью хранения сигналов от датчика. Блок анализа выполнен с возможностью выявления шумового компонента в сохраненных сигналах от датчика и вычисления значения СКО (среднеквадратического отклонения) шумового компонента и записи этого значения в блок памяти. Блок контроля выполнен с возможностью определения изменений в принимаемых сигналах от датчика, как разности между двумя последовательными сигналами от датчика, и выдачи сигнала неисправности, если изменения сигналов от датчика не выходят за 6 СКО в течение предварительно определенного времени Т_конт. Причем вышеуказанные блоки функционально связаны друг с другом непосредственно или опосредовано посредством линий связи. Также заявлен способ контроля работоспособности беспроводного датчика. Технический результат заключается в повышении надежности и точности определения неисправности датчика. 2 н. и 9 з.п. ф-лы.

1. Устройство контроля работоспособности беспроводного датчика, содержащее:

- блок опроса, выполненный с возможностью запрашивания показаний от беспроводного датчика и сохранения их в блоке памяти, причем блок опроса выполнен с возможностью осуществления опроса с первой частотой опроса в начальный период времени и с возможностью осуществления опроса со второй частотой опроса в последующие периоды времени, причем вторая частота опроса является более низкой, чем первая частота опроса;

- блок памяти, выполненный с возможностью хранения показаний от беспроводного датчика;

- блок анализа, выполненный с возможностью выявления шумового компонента в сохраненных показаниях от беспроводного датчика и вычисления значения СКО (среднеквадратического отклонения) шумового компонента и записи этого значения в блок памяти;

- блок контроля, выполненный с возможностью определения изменений запрошенных показаний от беспроводного датчика и выдачи сигнала неисправности, если изменения запрошенных показаний от беспроводного датчика не выходят за 6 СКО в течение предварительно определенного времени Т_конт,

причем блок опроса, блок памяти, блок анализа, блок контроля функционально связаны друг с другом непосредственно или опосредовано посредством линий связи.

2. Устройство по п. 1, в котором беспроводной датчик представляет собой по меньшей мере один из датчика давления, датчика плотности, датчика уровня.

3. Устройство по п. 1, в котором блок опроса, блок памяти, блок анализа, блок контроля функционально объединены в одном корпусе.

4. Устройство по п. 1, в котором блок анализа выполнен с возможностью определять СКО на основании предварительно заданного количества первых значений запрошенных показаний от беспроводного датчика.

5. Устройство по п. 1, в котором блок анализа выполнен с возможностью определять СКО на основании запрошенных показаний от беспроводного датчика в течение предварительно заданного временного интервала.

6. Устройство по п. 1, в котором блок анализа выполнен с возможностью выявлять шумовой компонент в предварительно заданные периоды времени.

7. Устройство по п. 1, в котором блок контроля выполнен с возможностью определения изменения запрошенных показаний от беспроводного датчика и выдачи сигнала неисправности, если изменение запрошенных показаний от беспроводного датчика не выходит за 8 СКО в течение предварительно определенного времени.

8. Устройство по п. 1, в котором блок контроля выполнен с возможностью увеличивать Т_конт в случае, если сигнал неисправности был впоследствии определен как ложный, причем Т_конт увеличивают до величины временной продолжительности, при которой запрошенные показания от беспроводного датчика впервые превысили 6 СКО.

9. Устройство по п. 1, в котором блок контроля выполнен с возможностью выдачи сигнала неисправности при условии отрицательной температуры беспроводного датчика.

10. Устройство по п. 1, в котором блок контроля выполнен с возможностью игнорировать изменения запрошенных показаний от беспроводного датчика, выходящие за 6 СКО, единожды в течение предварительно определенного времени Т_ошиб.

11. Способ контроля работоспособности беспроводного датчика, содержащий этапы на которых:

- посредством блока опроса опрашивают беспроводной датчик, принимают и сохраняют полученные сигналы в блоке памяти, причем опрос датчика осуществляют с первой частотой опроса;

- выявляют шумовой компонент в сохраненных сигналах от беспроводного датчика и вычисляют значение СКО (среднеквадратическое отклонение) шумового компонента посредством блока анализа;

- сохраняют вычисленное значение СКО в блоке памяти;

- далее посредством блока опроса опрашивают беспроводной датчик, принимают и сохраняют полученные сигналы в блоке памяти, причем опрос датчика осуществляют со второй частотой опроса более низкой, чем первая частота опроса;

- определяют изменения принимаемых сигналов от беспроводного датчика и выдают сигнал неисправности, если изменения сигналов от беспроводного датчика не выходят за 6 СКО в течение предварительно определенного времени Т_конт посредством блока контроля.