Mitigação de erros em cadeias de medições de temperatura utilizando interfaces analógico-digitais com redundância e diversidade

Abstract

Medições de temperatura são uma função crítica para desempenho e manutenção de motores utilizados na aviação. Dentro destes sistemas de medições de temperatura, existem duas principais responsáveis pela identificação da saúde do motor: A temperatura do gás de exaustão (EGT) e a temperatura da cabeça do cilindro (CHT). Entretanto, estas medições realizadas através de termopares necessitam condicionamento e conversões analógico-digitais em sua cadeia de medição e instrumentação, para posterior leitura das informações pelo computador de vôo. Os componentes integrados de tecnologia CMOS, comumente usados em aplicações eletrônicas nos dias de hoje e comumente presente nos conversores ADs, podem apresentar uma quantidade significativa de defeitos, geralmente associadas as condições ambientais e ao envelhecimento do componente. Algumas fontes de falhas são a quebra do óxido fino, eletromigração, transientes causados por radiação, interferência eletromagnética, bem como outros problemas causados por uma série de fatores como estresse mecânico ou corrosão, por exemplo. Uma das técnicas em nível de sistema amplamente utilizada para mitigação de tais efeitos é a Redundância Modular Tripla (TMR, Triple Modular Redundancy), que pode ser melhorada através de técnicas de diversidade e também com a aquisição de dados redundante do sensor no sistema de medição. Este trabalho aborda um sistema de medição de temperatura com um sensor termopar tipo K, apresenta um sistema de amplificação de instrumentação, filtro ativo para remoção de ruídos, e um sistema de aquisição de dados com TMR a nível de conversão analógica-digital. Além disto, foi utilizado um SoC (System-on-Chip) da Cypress Semiconductor, chamado PSoC 5LP, para emulação de falhas através do mascaramento da informação lida dos A/Ds. O resultado da emulação de falhas foi a observância de um baixo fator de erros, mostrando a eficácia do sistema baseado em TMR e diversidade espacial-temporal. Todas as falhas simples foram toleradas pelo sistema, e além disto, também mostraram que a adição de diversidade temporal gera, em comparação ao TMR clássico, um ganho significativo na tolerância a falhas duplas e múltiplas. Um baixo percentual das falhas é detectado na forma de erros, tanto em função da resiliência a falhas pela arquitetura do sistema proposto, como pela tolerância a baixas variações de temperatura na aplicação, não alterando as condições de leitura sobre a saúde do sistema monitorado.

Temperature measurements are a critical function for performance and maintenance of engines used in aviation. Within these temperature measurement systems, there are two main factors responsible for identifying the health of the engine: The exhaust gas temperature (EGT) and cylinder head temperature (CHT). However, these measurements using thermocouples require conditioning and analog-digital conversions in their measurement and instrumentation chain, for later reading of the information by the flight computer. Integrated components of CMOS technology, commonly used in today's electronic applications and commonly present in ADs, can exhibit a significant quantity of defects, generally associated with environmental conditions and aging of the component. Some sources of failures are thin oxide, electromigration, transients caused by radiation, electromagnetic interference, as well as other problems caused by a number of factors such as mechanical stress or corrosion, for example. One of the system-wide techniques widely used to mitigate such effects is TMR (Triple Modular Redundancy), which can be improved through diversity techniques and also with the acquisition of redundant sensor data in the measurement system . This work addresses a temperature measurement system with a K-type thermocouple sensor, features an instrumentation amplification system, active noise removal filter, and a TMR data acquisition system at the analog-to-digital conversion level. In addition, a Cypress Semiconductor System-on-Chip, called PSoC 5LP, was used for emulation of faults by masking the information read from the A / Ds. The result of the emulation of failures was the observance of a low error factor, showing the effectiveness of the system based on TMR and spatial-temporal diversity. All simple failures were tolerated by the system, and in addition, they also showed that the addition of temporal diversity generates, in comparison to the classic TMR, a significant gain in the tolerance of double and multiple faults. A low percentage of failures is detected in the form of errors, both due to the resilience to failures by the proposed system architecture, and also by the tolerance to low temperature variations in the application, without altering the reading conditions on the health of the monitored system.