Colibrys: современные технологии со швейцарским качеством

Компания Colibrys появилась в 2001 году, отделившись от Швейцарского технологического инкубатора. Из года в год, решая все новые задачи, компания превращалась в серьезного игрока на рынке инерциальных датчиков и в 2013 году стала частью всемирно известной группы компаний Safran, получив доступ ко всем предоставляемым ею ресурсам и накопленным знаниям.

Рис. 1. Новая штаб-квартира компании Colibrys в г. Ивердон-ле-Бен в Швейцарии

Первоначально штаб-квартира компании располагалась в городе Невшатель в Швейцарии, но позже поменяла свое месторасположение и сегодня вместе с производственными площадями находится в швейцарском городе Ивердон-ле-Бен (рис. 1). Одним из важных достоинств компании является то, что все производство как самого чувствительного элемента, так и электроники находится в Швейцарии, что дает компании статус независимого и надежного производителя и партнера. До недавнего времени Colibrys являлась мировым лидером в области разработок и поставок стандартных и полузаказных акселерометров на основе MEMS-технологии (рис. 2), а сегодня, после присоединения к группе Safran, компания предлагает и линейку вибрационных гироскопов, что открывает ей путь к созданию собственных инерциальных модулей и выходу на новые рынки.

Рис. 2. МЭМС-акселерометр компании Colibrys (без крышки)

Компания Colibrys является производителем, организованным по принципу «все в одном», и предлагает полный спектр услуг, начиная от разработки и заканчивая производством и тестированием высокоточных акселерометров, гарантируя клиентам лучшие в своем классе характеристики и уровень исполнения, надежность конструкции, высочайшее швейцарское качество, разумные цены и сроки изготовления. Большое количество заказчиков из различных секторов уже убедилось в этом на практике, заложив датчики Colibrys в конструкции своих серийных изделий. В результате среди клиентов датчики зарекомендовали себя как изделия с высоким уровнем точностных характеристик, высокой стабильностью и ударопрочностью, низким уровнем шумов и энергопотреблением.

Colibrys в железнодорожном секторе

Быстрорастущий рынок высокоскоростных железнодорожных путей сообщения и высокоскоростных подвижных составов уже продиктовал требование усиления безопасности перевозок, что повлекло за собой повышение требований к системам контроля и управления железнодорожными составами. Этот факт в совокупности с желанием уменьшить затраты на содержание, облегчить планирование проведения ремонтных работ и повысить уровень комфорта пассажиров влекут необходимость применения высокотехнологичных решений при построении подобных систем, неотъемлемой частью которых становится огромное количество всевозможных датчиков. При этом львиная доля здесь отводится акселерометрам, измеряющим различные виды механических движений, таких как ускорение, углы наклона, вибрации и удары. Для решения указанных задач могут быть применены различные типы акселерометров: емкостные, пьезорезистивные и пьезоэлектрические, к которым предъявляются одновременно требования высокого уровня характеристик и высокой временной и температурной стабильности. Победителем в данной борьбе выходят емкостные акселерометры, обладающие лучшими характеристиками в плане надежности, долговременной стабильности, отношения сигнал/шум, прочности, размеров и энергопотребления при измерении в диапазоне низких и средних частот.

Одним из примеров успешного применения емкостных МЭМС-акселерометров в железнодорожных поездах является система мониторинга в немецких высокоскоростных поездах ICE (рис. 3). Компания Siemens разработала систему мониторинга для тележек вагонов (рис. 4), которая определяет износ различных узлов тележки: подшипников, валов, тормозов, колес — и на основании полученной информации выявляет потенциально возможные неисправности, способные спровоцировать аварию. В этой системе используется 24 датчика Colibrys на один вагон и около 200 датчиков на весь поезд. Первые три поезда были созданы в 2010 году, а окончательная сертификация пройдена в 2011‑м.

Рис. 3. Высокоскоростной поезд ICE c системой мониторинга за состоянием тележек Siemens

Рис. 4. Тележка железнодорожного вагона с системой мониторинга Siemens

Другим интересным примером использования емкостных акселерометров Colibrys следует назвать систему контроля за нормальными ускорениями в кренящихся поездах, которая измеряет боковые ускорения, действующие на вагон при его повороте, и наклоняет вагон таким образом, чтобы сила тяжести компенсировала боковое ускорение. В результате эта система повышает уровень комфорта пассажиров, поскольку они не чувствуют боковых ускорений, возникающих при повороте поезда.

В общем и целом, в железнодорожной сфере инерциальные датчики могут применяться для решения таких задач, как:

• контроль и диагностика вагонных тележек для повышения уровня безопасности и комфорта;
• слежение за углом крена в высокоскоростных кренящихся поездах для компенсации нормальных ускорений, действующих на пассажиров во время поворота поезда;
• контроль положения в поездах на магнитной подушке;
• системы управления;
• системы контроля за техническим состоянием подвижного состава;
• контроль за уровнем ударов во время транспортировки;
• высокоточное определение положения вагонов;
• системы измерения геометрии пути.

Рис. 5. Датчик вибрации VS1000 компании Colibrysъ

Компания Colibrys предлагает различные типы акселерометров для решения указанных задач:

• датчик вибрации VS9000, имеет малые размеры, полоса пропускания по уровню 5% составляет 1 кГц, доступен с различными диапазонами измерений от ±2 до ±200 g;
• датчик вибрации VS1000 (рис. 5) является новинкой 2015 года и представляет собой усовершенствованный вариант VS9000. VS1000 предлагает лучшую в своем классе комбинацию стабильности нуля, ударопрочности, линейности и шумовых характеристик. Этот датчик имеет усовершенствованный чувствительный элемент, улучшенное крепление узлов к подложке, новую электронику с частотой работы 200 кГц, датчик температуры, что в совокупности позволяет получить гладкую АЧХ от 0 до 1500 Гц (min) с отклонением в пределах 5%. Новый блок электроники позволил уменьшить температурные коэффициенты изменения нулевого сигнала и масштабного коэффициента до ±0,2 мg/°C (max) и 120 ppm/°C соответственно. Так же как и предыдущий вариант, датчик доступен с различными диапазонами измерений от ±2 до ±200 g;
• линейка акселерометров MS9000, спроектированная для решения задач измерения ускорений, где требуется долговременная стабильность параметров выходного сигнала.

Colibrys в нефтегазовом секторе

В оборудовании для энергетического сектора, в частности для нефтегазовой отрасли, применяется огромное количество датчиков, выполняющих различные функции. Среди этого множества наиболее широко используемыми являются акселерометры, необходимые для выполнения целого ряда измерений, начиная от измерения линейного ускорения и заканчивая измерениями вибраций и ударов, низкочастотных сейсмических колебаний, наклонов. К числу подобных задач, которые выиграли от применения МЭМС-технологии, можно отнести следующие:

• высокоточное определение углов наклона бура во время бурения скважин и во время каротажа;
• дистанционное управление и определение местоположения в отсутствие сигналов спутниковых навигационных систем;
• геофизическое исследование недр земли;
• внутрискважинные сейсмические исследования;
• мониторинг состояния строительных сооружений (дамбы, ветряные генераторы, АЭС и т. д.) и оборудования;
• решение задач инерциальной навигации при исследовании трубопроводов внутритрубными снарядами;
• решение задач стабилизации и инклинометрии.

Сегодня подземное бурение представляет собой хорошо отлаженный процесс. В зависимости от месторасположения предполагаемой скважины, структуры верхних слоев земли и назначения скважины процессы бурения и используемое оборудование могут сильно отличаться. Например, бурение мелких или глубоких вертикальных скважин или направленное горизонтальное бурение, как для добычи нефти и газа, так и для прокладки горизонтальных туннелей и каналов для нужд строительства (рис. 6). В каждом из указанных вариантов к используемому оборудованию и к отдельным его компонентам предъявляются различные требования, а в связи с тем, что бурение происходит в жестких условиях окружающей среды при действии вибрации, температуры и коррозии, требования эти достаточно жесткие.

Рис. 6. Морская буровая платформа

В большинстве случаев посредством инерциальных датчиков решается две задачи — инерциальная навигация во время бурения и построение карты уже пробуренной скважины. В первом случае целью является бурение по заданной траектории и попадание буром в нужную точку с минимальными погрешностями. Задача аналогична задаче построения системы управления, например, летательным аппаратом на базе инерциального модуля с тремя гироскопами и акселерометрами, за тем исключением, что в данном случае происходит управление буром во время бурения. Бурение, безусловно, подразумевает большой уровень ударов и вибраций, в связи с этим вибрационные ошибки датчиков и смещение нуля после воздействия ударов должны иметь минимально возможные значения.

Во втором случае при построении карты скважины посредством каротажного зонда определяются углы наклона различных участков скважины и азимут каждого из участков. Наиболее простое решение — это применение трех акселерометров в комбинации с тремя магнитометрами. При высоком уровне окружающих магнитных полей вместо магнитометров или совместно с ними применяются гироскопы, выполняющие функцию гирокомпаса.

В обеих ситуациях увеличение стабильности выходных сигналов датчиков приводит к увеличению точности измерений, к снижению количества точек останова для измерений, а соответственно, и к удешевлению стоимости работ. И здесь компания Colibrys имеет ряд интересных решений, которые удовлетворяют большому количеству требований, предъявляемых к датчикам в нефтегазовом секторе. Например, акселерометр TS9000 (рис. 7) может быть использован и для решения задач управления, и как инклинометр. Он доступен с двумя диапазонами измерений ±1 и ±2 g и идеально подходит для выполнения указанных задач.

Рис. 7. Акселерометр серии TS9000 компании Colibrys

Основными особенностями этих датчиков являются:

• возможность работы в жестких условиях эксплуатации: акселерометры TS9000 имеют большую ударопрочность и выдерживают удары до 6000 g практически без влияния на характеристики. Одновременно с этим датчики имеют хорошую устойчивость к вибрации. Помимо линейки TS9000, у Colibrys существует линейка HS8000, которая способна выдерживать удары до 20 000 g;
• широкий температурный диапазон: все акселерометры компании Colibrys гарантированно работают в диапазоне температур от –55 до +125 °C. Но хотя это и не указано в спецификации, ряд клиентов успешно применяет акселерометры и при температурах до +150 °C;
• высокая стабильность: в другой линейке датчиков наклона TS9000P достигнута чрезвычайно высокая временная стабильность параметров — менее 100 ppm и лучше, даже в жестких условиях эксплуатации. Коэффициент вибрационных ошибок составляет 150 мкg/g².

Таким образом, емкостные МЭМС-акселерометры являются лучшим вариантом как в нефтегазовом секторе, так и на быстроразвивающемся мировом рынке высокоскоростных железных дорог для решения задач контроля и управления движением в поездах, где количество используемых датчиков становится все больше, поскольку из года в год к таким системам предъявляются все более жесткие требования, а целый ряд успешно реализованных проектов на базе датчиков компании Colibrys позволяет занять компании лидирующие позиции в этом направлении.

В заключение обзора хотелось бы упомянуть еще о двух продуктах компании, которые в момент написания статьи еще не были официально анонсированы. Во‑первых, это датчики наклона серии TS1000, которые по неофициальной информации должны выйти в конце 2015 года. Особенность этих акселерометров заключается в расширенном температурном диапазоне: датчик сможет работать при температуре до +150 °C и ограниченное время при температуре до +175 °C, что будет отражено в спецификации.

Второй продукт — камертонные датчики угловой скорости серии GS1000 (рис. 8) и построенные на их основе гироскопические модули GM1000 и GM1000Px. Гироскоп GS1000 не является гироскопом на основе МЭМС-технологии, а представляет собой один из классических вариантов камертонных гироскопов типа «Квапазон» с четырьмя вибрирующими металлическими балками, что, безусловно, сказывается на его габаритах, но одновременно позволяет получить надежную конструкцию и гораздо более высокие точности. Например, нестабильность нуля составляет 0,15 °/ч, а среднее время наработки на отказ 1 млн ч. По характеристикам гироскоп позиционируется как более высокоточный, чем МЭМС-гироскопы и чем ВОГи с открытым контуром. Описание гироскопа уже сейчас доступно на сайте производителя и на сайте компании «Радиант» — официального дистрибьютора компании Colibrys в России.

В таблице 1 представлены технические характеристики акселерометров, а в таблице 2 — технические характеристики гироскопов.

тип. — типовое значение; max — максимальное значение; ТКИ — температурный коэффициент изменения; МК — масштабный коэффициент.
1 — стабильность в течение года определена согласно стандарту IEEE 528-2011: включение/выключение, хранение при температурах –55…+85 °С, термоциклирование –40…+125 °С, механические воздействия, вибрация, удары при температурах –55…+85 °С в выключенном состоянии (единичный удар по одной оси 6000 g).
2 — стабильность в течение года определена согласно стандарту IEEE 528-2011: включение/выключение, хранение при температурах –55…+85 °С, термоциклирование –40…+125 °С, механические воздействия, вибрация, удары при температурах –55…+85 °С в выключенном состоянии (единичный удар по одной оси 1000 g).
3 — нелинейность для акселерометра с диапазоном ±200 g определена для диапазона ±100 g.
4 — составная повторяемость в течение года представляет собой стабильность остаточной ошибки, определенной согласно стандарту IEEE 528-2011:
включение/выключение, хранение при температурах –55…+85 °С, термоциклирование –400…+125 °С, вибрация и удары (единичный удар по всем направлениям 6000 g, 0,2 мс).
5 — температурные коэффициенты определены для диапазона температур –40…+20 °С, где зависимость имеет линейный характер и принимает максимальное значение.
6 — полоса пропускания указана по уровню 5%.

тип. — типовое значение; max — максимальное значение; ТКИ — температурный коэффициент изменения; МК — масштабный коэффициент.
1 — для аналогового выхода, 2σ; Bias instability на графике девиации Аллана.
2 — для аналогового выхода, 2σ; Angle random walk на графике девиации Аллана.