Комп’ютерний засіб вимірювання тиску і температури у кліматичній камері

Міністерство освіти та науки України
Вінницький національний технічний університет
Інститут автоматики, електроніки та комп’ютернихсистем управління
Факультет автоматики та комп’ютерних системуправління
Кафедра Метрології та промислової автоматики
Курсовий проект
з курсу “Проектування випробувального обладнання тайого метрологічна атестація"
КОМП’ЮТЕРНИЙ ЗАСІБ ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ І ТЕМПЕРАТУРИ УКЛІМАТИЧНІЙ КАМЕРІ
Виконав: ст. гр.1АМ-04
Пісковий С.В.
Перевірив: к. т. н.,доц. каф. МПА
Кулаков П.І.
ВНТУ — 2009

Зміст
Вступ
1. Методи та засоби вимірювання тиску і температури
1.1 Методи вимірювання тиску
1.2 Методи вимірювання температури
2. Розробка структурної схеми комп’ютерного засобувимірювання тиску і температури у кліматичній камері
3. Розробка електричної принципової схеми комп’ютерногозасобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері
4. Електричні розрахунки
4.1 Електричний розрахунок джерела живлення
4.2 Електричний розрахунок тактового генераторамікроконтролера
5. Розрахунок похибки вимірюваннятиску і температури у кліматичній камері
Висновок
Література
Вступ
Доповнення персональних комп’ютерів (мікроЕОМ)набором змінних плат (аналого-цифровим і цифро-аналоговим інтерфейсом) перетворюєкомп’ютери на могутній засіб вимірювання з десятками вимірювальних функцій привідповідному програмному забезпеченні. Такі засоби вимірювання називаютьсякомп’ютерно-вимірювальними системами (КВС).
Застосування персональних комп’ютерів (ПК) длярозв’язання вимірювальних завдань визначається трьома факторами:
складом технічних засобів, що визначаютьконфігурацію ПК;
наявністю перетворювачів (АЦП, ЦАП тощо),конструктивно сумісних із системним каналом ПК;
обсягом відповідного програмного забезпечення(як системного, так і прикладного), орієнтованого на розв’язання даноговимірювального завдання.
Більше того, КВС за потенціальнимиможливостями значно багатша свого попередника — вимірювального приладу. Будучизабезпеченою комплектами плат відповідного призначення, а також необхіднимскладом програмного забезпечення, персональна ЕОМ стає багатоцільовоювимірювальною системою. Маючи розвинене програмне забезпечення у виглядіспеціалізованих операційних систем із мовами високого рівня, векторну системупереривання, засоби прямого доступу до пам’яті, єдиний системний канал, набіруніфікованих інтерфейсів, можна організувати складні системи з управлінням вреальному масштабі часу.
1. Методи та засоби вимірювання тискуі температури1.1 Методи вимірювання тиску
Вимірювання і реєстрація тиску широкорозповсюджені як в промисловості, так і в повсякденному житті: метеорологічнібарометри показують атмосферний тиск, медичні тонометри — тиск у манжеті. Неслід забувати і о висотомірах (альтиметрах), які, по суті, представляють собоюті ж самі барометри, але зі спеціальною шкалою.
Практично усі сенсори тиску відносяться докласу параметричних перетворювачів. У параметричних перетворювачах неелектричнавеличина перетворюється на приріст параметра електричного кола (R, L, C, M),тому особливістю роботи таких перетворювачів є потреба в додатковому джереліенергії. Основними видами параметричних перетворювачів, які застосовуються привимірюванні тиску є тензорезистивні, ємнісні і індуктивні сенсори. Проте інколивикористовуються і генераторні перетворювачі. У генераторних перетворювачахвхідна величина перетворюється у вихідний сигнал, який має енергетичнівластивості.
Тензометричний сенсор або тензометр — церезистивний елемент, електричний опір якого змінюється при механічнійдеформації. Це явище називається п’єзоефектом. Деформація може бутиповздовжньою, поперечною або деформацією форми.
В основу принципу їх дії покладена змінаактивного опору провідника при його деформації. Це підтверджується наступноюформулою:
/> (1.1)
В більшості тензометричних сенсоріввикористовують чотири тензометра, які утворюють схему моста Уітстона.
Широко застосовувані нині наклеювані дротовітензорезистори — це тонкий зигзагоподібний дріт, який наклеюється на еластичнусмужку (підкладку). Тензорезистори наклеюються на досліджуваний об’єкт так, щобвони разом із ним зазнавали деформації стискання або розтягування.
Принципово нові можливості у розвиткутензорезисторних датчиків на основі напівпровідникових чутливих елементіввідкрилися з розробкою і дослідженням структур типу “кремній на діелектрику".Із них найбільш вивчена і технологічно освоєна структура “кремній на сапфірі".Це тонка монокристалічна плівка кремнію, вирощена на монокристалічнійсапфіровій підкладці з певною кристалографічною орієнтацією. Такі перетворювачімають хороші пружні властивості, малу похибку гістерезису, широкий діапазонвимірюваних деформацій.
В ємнісних перетворювачах використовуєтьсязалежність ємності конденсатора від розмірів, взаємного розміщення йогообкладинок і діелектричної проникності середовища між ними.
В ідеальному випадку ємність плоскогоконденсатора
/> (1.2)
З цієї формули випливає, що ємність плоскогоконденсатора збільшуватиметься при зростанні діелектричної проникностісередовища e і площі пластин S і зменшуватиметься зі збільшенням відстані міжпластинами d. Отже, всі фізичні величини, які безпосередньо або через допоміжніфактори будуть впливати на змінні e, S і d, можна виміряти за допомогою ємнісних датчиків. Останні можутьмати найрізноманітніше конструктивне виконання: дві чи три плоскі пластини,циліндр у циліндрі тощо.
/>
Рисунок 1.1 — Ємнісний перетворювач
Таким чином, під ємнісним датчиком розуміютьсистему електродів, ємність яких однозначно залежить від значення заданоїфізичної величини.
Чутливість ємнісних перетворювачів зплощинними електродами є лінійною функцією зміни площі взаємодії електродів ізміни діелектричної проникності середовища між ними:
/> (1.3)
У той самий час чутливість відносної відстаніміж електродами є нелінійною функцією:
/> (1.4)
Основні переваги ємнісних датчиків — високачутливість; відсутність рухомих деталей, які труться; простота конструкції; малаінерційність. До їх недоліків слід віднести вплив зовнішніх електричних полів,паразитних ємностей, температури і вологості.
Індуктивні перетворювачі із змінною довжиноюповітряного зазора, в них використовується залежність індуктивності L віддовжини повітряного зазора d. Якщо знехтувати опором магнітопровода, незначним порівняно змагнітним опором зазора, а також втратою потужності в магнітопроводі, тоодержимо
/>, (1.5)
де m0 — магнітнапостійна;
w — число витків котушки;
S — ефективна площа повітряного зазора.
/>
Рисунок 1.3 — Індуктивний перетворювач іззмінною довжиною повітряного зазора
Як наслідок індуктивний перетворювач іззмінною довжиною повітряного зазора є нелінійним перетворювачем, залежність Lвід довжини зазора d близька до гіперболічної.
З достатнім для практики рівнем наближенняможна вважати його лише при малих відносних змінах довжини повітряного зазора Dd/d. У реальнихконструкціях перетворювачів відносна зміна зазора Dd/d = 0,1...0,15 принелінійності характеристики 1-3%. Тому такі перетворювачі застосовуються дляперетворення невеликих тисків, сил і переміщень.
Диференціальні індуктивні перетворювачі. Значнеполіпшення лінійності при одночасному збільшенні чутливості досягається вдиференціальних перетворювачах із двома перетворювальними елементами, що маютьзагальну рухому частину. У них рухомий якір розміщено симетрично відносно обохосердь із початковим зазором , і магнітні опори для потоків, щостворюються двома котушками, однакові. Зміна магнітних опорів, що проходить припереміщенні Dd якоря, мають протилежні знаки. При зустрічно-послідовному вмиканніобмоток їх сумарна індуктивність
/> (1.6)
Внаслідок того, що в знаменнику останньоговиразу відношення Dd/d знаходиться в квадраті, в диференціальному перетворювачі лінійністьхарактеристики забезпечується в більш широких межах. Через це практично усііндуктивні перетворювачі виконуються диференціальними.
Індуктивні перетворювачі із змінною площеюповітряного зазору застосовуються для перетворення переміщень рухомогоферомагнітного осердя в діапазоні 5...20 мм. Функція перетворення такихперетворювачів практично лінійна.
Індуктивні перетворювачі плунжерного типунайбільш поширені. В основу дії цих перетворювачів покладено зміну магнітногоопору ділянок розсіювання магнітного потоку, а отже, й індуктивності котушкипри переміщенні феромагнітного рухомого елемента (плунжера) всередині котушки. Найчастішезастосовуються диференціальні плунжерні перетворювачі з магнітопроводом. Плунжерніперетворювачі мають, як правило, лінійні характеристики і забезпечують перетворенняпереміщень від кількох міліметрів до кількох десятків сантиметрів.
В залежності від технології, щовикористовується, сенсор тиску без електронної частини може бути і дужедорогим, і відносно дешевим. Економічні сенсори, побудовані на основі кристалукремнію, були настільки вдосконалені, що тепер параметри професійного рівняможна отримати, придбавши виріб приблизно за 25 доларів. Такий сенсорскладається з двох основних частин: герметичного корпуса, зазвичай оснащеногоштуцерами, які дозволяють під’єднувати гнучкі трубки, і дуже незвичайногонапівпровідникового кристала. На одній і тій самій кремнієвій пластині виконаніі класичні електронні компоненти, і струнні сенсори натягу.
Революційна ідея полягає у тому, що самапластина, певна частина якої зроблена дуже тонкою за допомогою мікрообробки,відіграє роль мембрани, яка деформується під впливом тиску.
Перші сенсори, виготовлені за цієютехнологією, давали не дуже добрі показники. У них був відчутний температурнийдрейф, а також значний зсув нуля, який сильно змінювався від зразка до зразка. Електронніпристрої корекції, на щастя, могли суттєво згладити ці недоліки, а насьогоднішній день стан значно покращився.
Виконання на одній пластині, окрім струннихсенсорів натягу, терморезисторів і резисторів з лазерною підгонкою дозволяєвиробникам створювати і випускати вже калібровані і термокомпенсовані сенсори. Використовуватиїх дуже просто: достатньо подати постійну напругу на одну діагональ моста, якийскладається з струнних сенсорів натягу, і знімати з іншої діагоналі цього мостанапругу, пропорційну прикладеному тиску.
Сенсори як цього так і інших типів випускаєфірма Motorola, яка є ведучим виробником сенсорів тиску. Фірма Motorolaпропонує велику кількість сенсорів, які відрізняються підвищеною стійкістю додії агресивних речовин, високою точністю вимірювань в широкому діапазонітемператур, малими габаритами.
/>
Рисунок 1.4 — Сенсори тиску фірми Motorola
Важливою перевагою сенсорів фірми Motorola єте, що більшисть із них термокомпенсовані, тобто вони мають однакову точністьпервинного перетворення в широкому диапазоні температур. Окрім того вони маютьвбудовану мостову схему і буфер, що дозволяє отримати на виході сигналпостійної напруги, прямо пропорційний тиску, або послідовність імпульсів,шпаруватість яких є інформативним параметром вихідного сигналу сенсора. Длярозробки приладу обираємо термокомпенсований тензоперетворювач тиску фірмиMotorola MPX1986. Вихідним сигналом цього сенсора є послідовність імпульсів,шпаруватість яких прямо пропорційна тиску.1.2 Методи вимірювання температури
В сучасному промисловому виробництві, науковихдослідах, при дослідженнях матеріалів і зразків найбільш розповсюдженими євиміри температури. Широкий діапазон вимірювальних температур, різноманітністьумов використання засобів вимірювання і вимог до них визначають, з одного боку,різноманітність використовування засобів вимірювальної температури, а з другоїсторони, необхідність розробки нових типів первинних перетворювачів.
Температура поряд з тиском і обсягом являєсобою одну з трьох основних величин, що характеризують термодинамічний станречовини, і безпосередньо пов'язана з його внутрішньою енергією. Практичнонемає жодної галузі діяльності людини, де б не вимагалося вимірювати ірегулювати температуру, тому вона є однією з найбільш часто вимірюванихфізичних величин. Температура — це статистичне поняття, яке приміняється досистем, які складаються з великого числа часток, що знаходяться в тепловійрівновазі. Енергія часток, усереднена по їхньому числу, і визначає температурусистеми (об'єкту).
Температура (temperature) латинське слово, щоозначає «суміш». При взаємодії двох рівно зважених систем, що маютьрізні температури, відбувається перехід енергії від системи з більшименерговмістом в систему з меншим енерговмістом, доки обидві системи не приймутьновий стан рівноваги. Спільним для усіх видів часток первісно поділених системє температура.
Діапазон температур, що вимірюється надтовеликий. Шляхом розчинення гелію 3Не в звичайному рідкому гелії 4Недосягнута температура 0.001 К. Методами магнітного охолоджування одержанатемпература 0.000016 К. Верхня межа існуючих температур практичні не обмежена. Якприпускають, на початку розвитку Всесвіту існувала надто гаряча плазма зтемпературою 4/>1031 К. Зараз практичнонеобхідно вимірювати температури порядку 108 К і більше, що маютьмісце в гарячій плазмі та при термоядерних реакціях.
Діапазон існуючих температур можна поділити наряд характерних піддіапазонів: наднизькі температури (0-4,2 К), низькі (4.2-273К), середні (273-1300 К), високі (1300-5000К) та надвисокі (від 5000 К і вище).Наднизькі і низькі температури необхідно вимірювати при проведеннірізноманітних фізичних експериментів, і особливо при дослідженні надпровідностіта її технічному застосуванні, у криогенній техніці та ін. За верхню межу надтонизьких температур умовно прийнята температура, при якій провідники переходятьу надпровідний стан. Найбільш часто температури, що вимірюються лежать вобласті низьких, середніх та високих температур. Такі виміри мають місце урізноманітних галузях народного господарства, при наукових дослідженнях, в медициніта ін.
Потреба у вимірі надто високих температурбезупинно зростає, особливо у зв'язку з розвитком плазмених методів обробкиматеріалів, ракетної та космічної техніки, а також при дослідженні управляємихтермоядерних реакцій. Діапазон надвисоких температур починається приблизно з4000-5000 К, тобто з температур, при яких всі речовини при нормальному тискупереходять у газоподібний стан. Температури, які находяться на початкудіапазону надвисоких температур (4000-20000К), мають місце при слаботочних електричнихдугових розрядах, в газорозрядних лампах, у ракетних двигунах, на поверхніСонця (приблизно 6000 К), на тепловому щиті космічних апаратів, в плазмотронахдля обробки матеріалів (5000-20 000 К) і т. ін.
Температури порядку 5×104-105К мають місце в стаціонарних електричних дугах і надзвукових потоках плазми,при короткочасних електричних розрядах у фокусі плазми. При ядерних реакціях,всередині Сонця та зірок температури досягають 108 К. Ще більшвисокі температури спостерігаються при неконтрольованих термоядерних реакціях (водневабомба).
Необхідно відзначити, що температура належитьдо фізичних величин, точність виміру яких ще невелика. При проведенні науковихдосліджень, в частковості при визначенні фундаментальних фізичних констант,необхідно вимірювати температуру з похибкою10-2-10-4%.У промисловості також існує потреба у підвищенні точності виміру температури. Заразпромислові прилади забезпечують вимір температури з похибкою 0.5-1% і більше. Підвищенняточності виміру температури, наприклад, при розливі стали на 0.1% дастьможливість поліпшити на 5-10% якісні показники сталі.
Різноманітні засоби вимірювання температуриможна поділити за типом первинних вимірюючих перетворювачів.
В діапазоні низьких і середніх температурвикористовуються в основному контактні методи вимірювання, причому найбільшшироко на практиці використовуються первинні перетворювачі в виді термометрівопору і термопар. При цьому необхідно враховувати, що в більшості випадківтемпературу необхідно вимірювати в багатьох точках об’єкту і дистанційно, тобтопервинні перетворювачі можуть бути віддалені від вторинного вимірювальногоприладу на великі відстані.
Частіше всього включаються в зрівноваженумостову схему. Зрівноваження моста здійснюється за допомогою потенціометра. Привимірюванні опір резистора Rt, відповідно змінюється положеннямпотенціометра R і на його шкалі формуються показання мостового термометру
/> (1.7)
де R1, R2 — опориодинарного мосту.
Недоліком такої (двохдротової) схеми включеннятермометра опору є суттєва похибка, що вноситься опорами Rл1,Rл2провідників, якими він підключений до мостової схеми.
При вимірюванні температури навколишньогосередовища проходить зміна опорів проводів, що робить неможливим компенсаціювказаної похибки. Для зниження цієї похибки використовують трипровідну схемупідключення термометрів опору. В цьому випадку опори проводів Rл1,Rл2виявляються не в одній, а в різних (сусідніх) плечах моста і тому їх впливсуттєво зменшується. При симетрії моста їх опори віднімаються. Опір Rл3,третього провідника виявляється ввімкненим в коло джерела живлення і нарезультат вимірювання не впливає.
При збільшенні довжини лінії зв’язку, описаніметоди часто не дозволяють забезпечити високу точність вимірювання температуриі виникає необхідність в попередньому перетворенні опору терморезистора вякий-небудь параметр електричного сигналу, що забезпечує точну і завадостійкупередачу вимірювальної інформації.
При використанні термоелектричнихперетворювачів (термопар) виникає необхідність вимірів значення термо-ЕРС навиході термопари. Під час вимірювання температури вільні кінці термопариповинні бути при постійній температурі. Вільні кінці термопари конструктивновиведено на клеми для розміщення їх поблизу до об’єктів, тобто в зонівимірюваної температури. Щоб віднести ці кінці в зону постійної температури,використовуються подовжувальні провідники, що складаються з двох жил, яківиготовлено з металів чи сплавів і які мають однакові термоелектричнівластивості з термоелектродами термопари. В лабораторних умовах температуравільних кінців термопари підтримується рівною 0 0С шляхом розміщенняїх в ємності Д'юара, наповненій потовченим льодом з водою. В промислових умовахтемпература вільних кінців термопари звичайно відрізняється від 0 0С.Оскільки градуювання термопар виконується при температурі вільних кінців 0 0С,то ця різниця може бути джерелом суттєвої похибки. Для зменшення цієї похибкинеобхідно ввести поправку в покази термометра. Проте необхідно мати на увазі,що функція перетворення термопари нелінійна, а відповідно, значення поправкиповинно залежати не тільки від температури вільних кінців термопари, але і відзначення вимірюваної температури. Ця обстава ускладнює точну корекцію вказаноїпохибки шляхом введення поправки. Широке застосування на практиці маєавтоматичне введення поправки на температуру вільних кінців термопари, щонаведено на рис.1 В коло термопари ТП і мілівольтметра включено міст, одним зплечей якого є терморезистор Rt (мідний), який розміщено білявільних кінців термопари.
Інші плечі моста створено низькоомнимирезисторами R2, R3, R4. При температурівільних кінців термопари, рівній 0 0С, міст зрівноважений (Uab= 0). При відхиленні температури вільних кінців термопари від 0 0Снапруга Uab не дорівнює нулю і сумується з ЕРС термопари, що вноситьпоправку dв показання приладу.
Значення поправки регулюється резистором RS.В наслідок нелінійності функцій перетворення термопари повної компенсаціїпохибки не виконується, але вказана похибка значно зменшується.
В даному випадку автоматична корекція похибкиздійснюється методом допоміжних вимірювань, причому термометр опору єдопоміжним вимірювальним перетворювачем, а поправка вводиться шляхом сумуваннянапруг.
Останнім часом для виміру температур всебільшого розповсюдження набувають кварцові термоперетворювачі, які мають високурозрізнювальну здатність і широкий частотний діапазон, добре захищені від заваді легко перетворюються в цифровий двійковий код.
Такі перетворювачі засновані на використанніпрямого єзоелектричного ефекту, що полягає у виникненні електричних зарядів наповерхні деяких кристалів (кварцу, сегнетової солі і ін.) під дією механічнихнапруг.
З кристалу кварцу вирізається пластина, граніякої повинні бути перпендикулярні оптичній осі Z, механічній Y і електричній X(рис.2)
Під дією на пластину зусилля FX награнях Х ç¢являються заряди
/>, (1.7)
де к — єзоелектричний коефіцієнт.
Під час дії на пластину зусилля FYвздовж механічної осі, на тих же гранях виникають заряди
QY = (a/b) k FY, (1.8)
де а,b — розміри граней пластини.
Механічна дія на пластину вздовж оптичної осіне викликає появи зарядів.
При вимірювані температури, знаходятьзастосування п'єзорезонатори, вяких використовується одночасно прямий і зворотній п'єзоефекти. Останній полягає в тому, що якщо на електроди перетворювачаподати змінну напругу, то в єзочутливому елементі (пластині) виникнутьмеханічні коливання, частота яких fР (резонансна частота) залежитьвід товщини h пластини, модуля пружності Е, густини r її матеріалу. Привключенні такого перетворювача в резонансний контур генератора частоти, частотагенерованих електричних коливань визначається як fР. Рівнянняперетворення кварцового перетворення має вигляд
ft = fp + S txo,(1.9)
де fp, ft — відповідночастоти генерованих коливань при температурах t0= 0
0C івимірюваній температурі tх0;
S — чутливість термоперетворювача.
Чутливість кварцових термоперетворювачівдосягає 200-1000 Гц/К, що дозволяє з їх допомогою визначати зміни температурипорядку 0,001 — 0,01 0С. Кварцові термометри можуть функціонувати вдіапазоні температур від — 200 0С до +600 0С.
Висока точність кварцових термометрівпояснюється високою стабільністю параметрів перетворювача і високимиметрологічними характеристиками вимірювачів частоти. Недоліком такихперетворювачів є обмежена взаємозамінюваність, що пояснюється розкидом параметрівf0іS.
Контактні методи і засоби вимірівзастосовуються для виміру температур в діапазоні від значень, близьких доабсолютного нуля, до 1500 оС. В окремих випадках, використовуючитермоперетворювачі з тугоплавких матеріалів або квазідотиковий метод виміру,при якому термоперетворювач на короткий час поміщується в середовище, щовимірюється, можна підвищити верхню межу вимірів до 2500-3000 оС.
З контактних методів виміру найбільш широкезастосування одержали термоелектричний і терморезистивний методи. Іншіконтактні термометричні методи головним чином використовуються при науковихдослідженнях чи для відтворення температурної шкали. Термоелектричні татерморезистивні термометри широко застосовуються для виміру температури увиробничих умовах, при наукових дослідженнях. Переваги цих методів івідповідних засобів вимірів полягають в їхній простоті, надійності, низькоївартості і можливості отримання високої точності вимірів. Крім Того,використовуючи контактні методи, можна легко створити багатоканальнівимірювальні системи для безупинного виміру параметрів температурного поляскладних об'єктів, в тому числі при високих тисках і в труднодоступних місцях. Основніхарактеристики промислових терморезисторів і термопар, а також вимірювальніланцюга термометрів опору та термоелектричних термометрів розглянуті в роботі [5].
При використанні термоелектричного татерморезистивного методів задача виміру температури зводиться до точного вимірувідповідно ЕРС в діапазоні 0.1-200 мВ або опорі від часток Ома до десятків ісотень Ом. Ці задачі успішно вирішуються застосуванням сучасних засобів вимірівозначених величин. Використання серійно підсилювачів, що випускаютьсявимірювальних й автоматичних реєструючих мостів та компенсаторів з покращенимихарактеристиками, цифрових мілівольтметрів, перетворювачів опору в цифровийкод, а також мікропроцесорних приладів для корегування похибкитермоперетворювачів забезпечує утворення засобів вимірів температури з надтонизькими інструментальними похибками (0.1-0.5%). Так, відомі цифрові термоелектричнітермометри з здібністю 0.1 К, що є основну похибки ±1% в діапазоні 4-2000 К і±0,2% в діапазоні 73-2000 К. При відтворенні МПТШ застосовуються зразковітермометри, що забезпечують вимір температури між реперними точками з похибкою±0, 001%. Однак навіть при використанні точних приладів похибка вимірівтемператури можуть сягати більших значень з-за наявності методичних похибок,спричинених самою суттю та принциповими особливостями контактних методіввимірів температури. Головне полягає в тому, що всі контактні методи заснованіна перетворенні в сигнал вимірювальної інформації будь-якої термометричноївластивостітермоперетворювача, а не об'єкту дослідження. Тому всізасоби вимірів, основані на цих методах, принципово вимірюють температурутермоперетворювача (вірніше, його дошкульного елементу), що в загальномувипадку не рівна температурі об'єкту.
Крім того, при контактних методах вимірівтемператури вагоме значення має похибка, спричинена взаємодією об'єкту тазасобу виміру, особливо якщо останнє використовується лише для періодичнихвимірів та не є штатним приладом даного об'єкту. При поміщеннітермоперетворювача в досліджуєме середовище, або у поверхні об'єкту завідомопорушується їхнє температурне поле як за рахунок власного споживання (чивіддання) теплової енергії термоперетворювачем, так і за рахунок теплообмінуміж об'єктом і навколишньою середою через термоперетворювач.
Як недолік контактних методів можна відмітитивідносно великі динамічні похибки, спричинені значною тепловою інерційністютермоперетворювачів, постійні часу яких складають 10-60 та понад. Іншиминедоліками є обмежена зверху межа виміру (1500-2500 оС), труднощіпри вимірі температури рухомих об'єктів, а також порушення теплового татехнічного стану поверхні, що досліджується. Від цих недоліків хвиліпірометричні та спектрометричні методи виміру температури.
Термомагнітний метод заснований на залежностімагнітної сприйнятливості парамагнітних речовин або ядерної магнітноїсприйнятливості від температури. У відповідності з законом Кюрі-Вейса магнітнасприйнятливість зворотньо пропорційна абсолютній температурі:
/>, (1.10)
деС-коефіціент, пропорційний константіКюрі;
а-поправка, щозалежить від форми зразка, щільності і взаємодії іонів,
d — поправка, що враховує штарковськерозчіплення та диполь-дипольну взаємодію.
Вимір температури термочастотними методамиоснований на використанні залежності від температури частоти власних коливаньрізного роду резонаторів, швидкості розповсюдження звукових та ультразвуковихколивань та параметрів частотно-залежнихRC — абоRL-цепей зтерморезистором.
Найбільш розвинуті резонансні термочастотніметоди, основані на застосуванні резонаторних датчиків, що являють собоюавтогенератори чи генератори з вимушеними коливаннями, частота якихнастроюється в резонанс з частотою власних коливань резонатора, що змінюється зтемпературою.
Для виміру температури застосовуютьсямеханічні, газові та ядерні резонатори. Характеристика перетворення температурив частоту у таких резонаторів нелинійна. Рівняння перетворення термометрів зрезонаторними перетворювачами на робочій ділянці характеристики можнапредставити у вигляді полиному
/>, (1.11)
де коефіцієнти a, b та g вибираються в залежності відвиду і характеристик резонаторів. При використанні кварцевих резонаторовпохибка линійності надто незначна. У інших випадках для лінеаризаціїхарактеристики приладу необхідні додаткові прилади з функціональними перетворювачами.Розвиток мікропроцесорної техніки дозволяє створювати точні частотні термометриз похибкою лінійності не більш 10-5.
Пірометричні методи вимірів температуриохоплюють широкий діапазон температур — від 173 до 6000 К, включаючий в себенизькі, середні та високі температури. Ці методи засновані на визначенніпараметрів теплового випромінювання об'єкту без порушення його температурногополя. Теплове випромінювання являє собою электромагнітне випромінювання,збуджуване тепловим рухом атомів і молекул в твердих, рідких та газоподібнихречовинах. При температурах вище 4000 К випромінювання викликається процесамидисоціації, та іонізації.
Спектрометричні методи застосовуються длявимірів надвисоких температур — вище 4000 К, при яких всі речовини знаходятьсяв стані плазми. Тому спектрометричні методи тісно пов'язані з фізикою тадіагностикою плазми.
Спектрометричні методи можна поділити напасивні та активні. Пасивні методи засновані на визначенні різних параметрівспектру випромінювання плазми, при якому процес виміру не впливає на величину,що вимірюється.
При використанні активних методів плазмаоблучається зовнішнім электромагнітним випромінюванням та її температуравизначається по абсорбції, розсіюванню або швидкості розповсюдження зовнішньоговипромінювання в середовищі що досліджується. Впливом зовнішньоговипромінювання не завжди можна зневажити.
Плазма, полягати в основному з молекул,атомів, іонів та вільних электронів, характеризується рядом температур: молекулярною,атомною, іонною, електронною, температурою збудження та ін. Перші тритемператури тісно зв'язані та характеризують температуру газу.
Випромінювання плазми складається здебільшогоз ліній, та лише дуже малу частину складає безперервний спектр; тому пряма пірометріядля виміру температури плазми не може бути застосована. Вирішити, чи є змірянатемпература газової або електронною, можна тільки, якщо відомий механізмвипромінювання на даній довжині хвилі l та яким часткам — тяжким чи легким — належитьвипромінювання.
Найбільш розповсюджений пасивний методвизначення температури плазми заснований на вимірі інтенсивності молекулярних,атомних або іонних спектральних ліній, для яких відомі теоретичні залежностіміж інтенсивністю спектральних ліній та температурою.
В теперішній час все більшого розповсюдженнянабувають інтегральні первинні вимірювальні перетворювачі температури, які якправило використовуються для діапазону температур від — 800до +2500С.
Ці перетворювачі виготовляються такимипровідними світовими виробниками як Analog Devices, Motorola, Intersil (Harris),та інші. Вихідним сигналом таких перетворювачів є напруга, яка лінійно залежитьвід вимірюваної температури, або імпульсний сигнал, інформативним параметромякого є частота або шпаруватість імпульсів.
Для контролю температури віддалених об’єктівдоцільно використовувати термоперетворювачі з імпульсним вихідним сигналом. Цезумовлене наступними причинами:
аналоговий вихідний сигнал термоперетворювачадля передачі на великі відстані необхідно перетворювати в цифровий код, тому якцифровий сигнал має набагато більшу завадостійкість, ніж аналоговий;
цифровий сигнал зручно перетворювати у сигналінтерфейсу RS-485 або RS-422, які призначені для передачі даних на великівідстані;
інтегральні напівпровідниковітермоперетворювачі як правило виконуються у невеликих за розмірами корпусами ілегко встановлюються на об’єкті;
інтегральні напівпровідниковітермоперетворювачі мають мале енергоспоживання, що дозволяє використовувати їхлокальне акумуляторне живлення.
2. Розробка структурної схемикомп’ютерного засобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері
На рис.2.1 наведено структурну схемукомп’ютерного засобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері.
/>
Рисунок 2.1 — Структурна схема комп’ютерногозасобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері
Принцип дії системи, яка розроблюється укурсовому проекті, полягає у наступному.
Первинний вимірювальний перетворювачтемператури або тиску перетворює температуру або тиск, у шпаруватість вихіднихімпульсів, тобто в даному випадку, шпаруватість вихідних імпульсівперетворювача є функцією температури або тиску.
Сучасні напівпровідникові перетворювачітемператури виконуються на основі КМОП (англійська абревіатура CMOS) технології,що забезпечує ультранизьке споживання пристроїв. Внаслідок того, що відстаньміж об’єктом та комп’ютером, згідно умов технічного завдання, складає не менше1500 м, недоцільно використовувати загальну мережу живлення для всіхтермоперетворювачів. Тому в подальшому будемо проектувати систему виходячи зтого, що перетворювачі живляться від локального джерела живлення, якезнаходиться у безпосередній близькості до об’єкта, або від акумуляторноїбатареї.
Згідно умов технічного завдання, для передачіданих на велику відстань необхідно використовувати інтерфейс RS-485, якийспеціально для цього призначений. Згідно специфікації цього інтерфейсу, він маєнегативну логіку, формат передачі даних — вісім або сім біт даних, одинстартовий біт, два стопових біта, біт парності. Сигнали передаються у виглядіструму по двопровідній вітій парі з екраном, відстань передачі даних — до 2000м. Для перетворення CMOS — рівнів в сигнали RS-485, використовуєтьсяспеціалізований перетворювач, як це наведено на структурній схемі.
Для перетворення симетричного вихідногосигналу мультиплексора у несиметричний сигнал CMOS — рівнів, який необхіднийдля роботи мікроконтролера, використовується відповідний перетворювач, яквказано на структурній схемі системи. Вихідний сигнал перетворювача подаєтьсяна вхід мікроконтролера, який вимірює шпаруватість вихідних імпульсівпервинного перетворювача температури і розраховує температуру згідно рівнянняперетворення використовуємого датчика. Окрім того мікроконтролер здійснюєкерування диференційним мультиплексором, тобто формує код каналу, шпаруватістьсигналу якого потрібно виміряти. Керування мікроконтролером здійснюється ПЕОМ увідповідності з програмою роботи системи через послідовний порт. Для нормальноїроботи послідовного порта необхідно, щоб рівень логічної одиниці бів — 12 В,рівень логічного нуля +12 В, тобто відповідно специфікації інтерфейсу RS-232. Дляперетворення CMOS — рівнів на виході мікроконтролера в рівні RS-232використовується відповідний перетворювач, як це наведено на структурній схемі.
3. Розробка електричної принциповоїсхеми комп’ютерного засобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері
Електрична принципова схема розробленогопристрою наведена у графічній частині курсового проекту. Пристрій розрахованийна підключення двох перетворювачів, але потенційно дозволяє оброблятиінформацію від восьми різних первинних вимірювальних перетворювачів безсуттєвого ускладнення схеми. У якості первинного вимірювального перетворювачатемператури (DA1-DA8) обрано перетворювач фірми Analog Devices TMP04. Цейперетворювач має наступні технічні характеристики:
напруга живлення — 4.5 — 7 В;
трьохвивідний корпус ТО-92;
точність первинного перетворення +/ — 1.50С;
CMOS/TTL вихідні рівні;
діапазон температур: — 40 — +150 0С;
частота вихідного сигналу 35 Гц;
інформативний параметр вихідного сигналу — шпаруватістьімпульсів;
У якості перетворювача CMOS — рівнів в сигналиінтерфейсу RS-485 обрано мікросхему ADM488 фірми Analog Devices (DD1-DD8).
Ця мікросхема уявляє собою драйвер та ресиверсигналів RS-485, тобто драйвер перетворює сигнали TTL або CMOS рівнів в форматRS-485, а ресивер перетворює сигнали RS-485 в TTL або CMOS. Основніхарактеристики цієї мікросхеми наступні:
напруга живлення — 4.5 — 7 В;
вісьмививідний корпус DIP або SOIC
відстань передачі даних — до 2000 м
діапазон робочих температур — 25 — +85 0С;
струм споживання — 15 мА.
У даній системі для перетворення вихіднихсигналів первинних вимірювальних перетворювачів температури використовуютьсятільки драйвери.
Живлення первинного вимірювальногоперетворювача температури і драйвера RS-485 здійснюється від локального джерелаживлення, напруга якого подається через той самий роз’єм, що і вимірювальнісигнали.
Сигнали інтерфейсу RS-485 через роз’єми і вітупару поступають на вісьмиканальний аналоговий мультиплексор з диференційнимивходами і виходами. У якості мультиплексора обрано мікросхему ADG707 фірмиAnalog Devices (DA9). Основні параметри цієї мікросхеми наступні:
кількість каналів — 8;
напруга живлення — однополярна або двополярнавід 3 до 18 В;
диференційні входи;
диференційні виходи;
опір у відкритому стані — 0.5 Ом
Мультиплексор має вхід вибірки. Вінзнаходиться в активному стані, коли на цому вході присутній рівень логічноїодиниці. У нашому випадку мультиплексор постійно знаходиться в активномурежимі, тому як на його вхід через резистор R9, від джерела живлення, постійноподається рівень логічної одиниці.
Вихідний сигнал мультиплексора поступає наресивер, реалізований на мікросхемі ADM488, який здійснює перетворення сигналівRS-485 в CMOS.
Сигнали з виходу ресивера поступає на вхідмікроконтролера, з виходу якого, через перетворювач рівню, в послідовний портПЕОМ.
Живлення мультиплексора, ресивера,перетворювача, мікроконтролера здійснюється від послідовного порта ПЕОМ.
Для розробки приладу обираємотермокомпенсований тензоперетворювач тиску фірми Motorola MPX1986. Вихіднимсигналом цього сенсора є послідовність імпульсів, шпаруватість яких прямопропорційна тиску. Його основні технічні характеристики:
напруга живлення — 4.5 — 7 В;
точність первинного перетворення +/ — 1.5 кПа;
CMOS/TTL вихідні рівні;
діапазон температур: 0 — 1000 кПа;
частота вихідного сигналу 35 Гц;
інформативний параметр вихідного сигналу — шпаруватістьімпульсів;
Живлення мікроконтролера AT90S2313,перетворювача рівнів ADM3222, мультиплексора складає 5 В. Згідно умовтехнічного завдання, живлення повинно здійснюватись від послідовного порта ПЕОМ.
Для живлення використовуються сигналипослідовного порта DTR та RTS, які згідно специфікації RS-232 маютьнавантажувальну здатність 15 мА. Ці сигнали програмно встановлюються в рівеньлогічного нуля, тобто напруга на цих виводах порта складає 12 В. Якщо їхз’єднати через діоди, як наведено на рис.5.1, та сумарна навантажувальназдатність джерела живлення підвищиться до 30 мА.
Для живлення мікроконтролера, перетворювачарівнів та мультиплексора необхідно використовувати стабілізовану напругу 5 В. Томунеобхідно використати інтегральний стабілізатор напруги, який знизить напругулогічного нуля RS232 до рівню 5В і забезпечить стабілізоване живлення.
Для цієї мети можна використати інтегральнийстабілізатор напруги фірми MOTOROLA MC7805LC. Цей інтегральний стабілізатор маєнаступні електричні характеристики:
вхідна напруга від 7.2 В до 35 В
вихідна напруга 5 В
максимальний струм навантаження — 1.5 А
трьохвивідний корпус.
Вхідний конденсатор цієї мікросхеми (ри.5.1) необхіднийдля того, щоб виключити можливість самозбудження. До виходу мікросхеминеобхідно паралельно підключити два конденсатори — електролітичний такерамічний. Електролітичний — для згладжування низькочастотних пульсація,керамічний — високочастотних.
4. Електричні розрахунки4.1 Електричний розрахунок джерелаживлення
Схема електрична джерела живлення, від якогоживиться мікроконтролер AT90S2313, мультиплексор ADG707, перетворювач рівнівADM3202 наведена на рис.4.1
/>
Рисунок 4.1 — Джерело живлення
Діоди VD1 та VD2 призначені для взаємноїрозв’язки сигналів DTR та RTS та сумування струмів цих сигналів. Згідноспецифікації RS-232, навантажувальна здатність сигналів DTR і RTS складає 15мА, а максимальне значення напруги рівню логічного нуля — 15 В. Відповіднорозраховуємо максимальний вхідний струм інтегрального стабілізатора напруги DA1MC7805LC:
/> (мА), (4.1)
де />-максимальний струм сигналу DTR;
/> - максимальний струм сигналу RTS.
Максимальне зворотнє падіння напруги на діодахможе виникнути в тому випадку, коли сигнали DTR і RTS знаходяться в рівнілогічної одиниці і дорівнює 15 В. Максимальний струм через ці діоди неперевищує 15 мА. Виходячи з цього, обираємо діоди КД521А, у яких максимальназворотна напруга 100 В і максимальний струм — 100 мА [8].
Падіння напруги на відкритому кремнієвомудіоді складає 0.7 В. Відповідно напруга на вході інтегрального стабілізаторанапруги:
/> (В) (4.2)
де /> - напруга рівню логічного нуляRS-232; /> -падіння напруги на відкритому діоді. Падіння напруги на мікросхемі MC7805LCдорівнює:
/> (В) (4.3)
де /> - вихідна напруга мікросхемиMC7805LC. Потужність, яка розсіюється на мікросхемі MC7805LC дорівнює:
/> (Вт) (4.4)
Відповідно, згідно [8], радіаторвикористовувати не треба, тому як для цієї мікросхеми радіатор необхідний втому випадку, коли потужність, що розсіюється, перевищує 2 Вт. Згідно [8], длягарантованої відсутності самозбудження мікросхеми, необхідно використовувативхідний конденсатор С1, ємністю не менше 2.2 мкФ. Обираємо конденсатор К50-3522 мкФ х 16 В. До виходу мікросхеми необхідно паралельно підключити дваконденсатори — електролітичний та керамічний [8]. Електролітичний С2 — длязгладжування низькочастотних пульсація, керамічний С3 — високочастотних. ОбираємоС2 — К50-35 220 мкФ х 16 В, С3 — К50-15 — 0.1 мкФ 63 В.
4.2 Електричний розрахунок тактовогогенератора мікроконтролера
Робота мікроконтролера AT90S2313 тактуєтьсягенератором тактової частоти з кварцевою стабілізацією. Саме генераторзнаходиться в корпусі мікросхеми, зовні встановлюється кварцевий резонатор таконденсатори.
Схема включення мікроконтролера AT90S2313наведена на рис.4.2
/>
Рисунок 6.2 — Схема включення мікроконтролераАТ90S2313
RC — коло побудоване на R1 і С1 призначене дляформування сигналу скидання. Обираємо кварцевий резонатор з частотою 3.6864 МГці ємністю 2 пФ фірми GEYER. Значення ємності конденсаторів С2 і С3 обираємовиходячи із співвідношення [9]:
/>, (4.5)
де /> - ємність кварцевого резонатора.
Обираємо конденсатори 39 пФ х 6 В фірми ROHMтипорозміру 0805.
5. Розрахунок похибки вимірюваннятиску і температури у кліматичній камері
Загальна похибка вимірювання тиску маєдекілька складових:
складова похибки, що зумовлена неідеальністютензоперетворювача тиску. Згідно фірмової технічної документації на обранийтензоперетворювач, її приведене (до максимального значення вимірюваного тиску) середньоквадратичнезначення не перевищує 1% і для простоти подальших розрахунків припустимо, щовона розподілена за нормальним законом розподілу. Позначимо їїсередньоквадратичне відхилення через />. Тому як згідно з технічнимзавданням максимальний тиск, що вимірюється, дорівнює 1000 кПа, то />10 кПа;
складова похибки, що зумовлена перетвореннямвихідного сигналу тензоперетворювача в амплітуду змінної напруги і зворотнімперетворенням. При використанні сучасної елементної бази та сучаснихсхемотехнічних рішень, що зроблено у даному курсовому проекті, значення цієїпохибки набагато менше, ніж першої складової, і тому її значенням можназнехтувати;
складова похибки, що зумовлена випадковимизавадами на лінії передачі. Її значення важко передбачити і воно залежить відконкретних умов промислового виробництва. Тому для спрощення подальшихрозрахунків приймемо закон її розподілу за нормальний і значення рівнимзначенню складової похибки, що зумовлена неідеальністю тензометричногоперетворювача тиску — приведене середньоквадратичне значення дорівнює 1%. Позначимоїї середньоквадратичне відхилення через />.
складова похибки, що зумовлена квантування задопомогою аналого-цифрового перетворювача. Ця складова похибки має рівномірнийзакон розподілу. При великій кількості розрядів АЦП (а це справедливо у нашомувипадку, n = 12), похибка квантування набагато менша за складову похибки, щозумовлена випадковими завадами і неідеальністю термокондуктометричногоперетворювача. Тому її значенням і впливом її закону розподілу при визначеннідостовірності контролю можна знехтувати.
Середньоквадратичне значення загальноїприведеної похибки вимірювання тиску за допомогою розробленого пристроюзнаходиться з виразу
/> (5.1)
Відповідно приведена середньоквадратичнапохибка вимірювання тиску дорівнює 1,4%, а закон її розподілу нормальний, томуяк дві домінуючі складові похибки мають нормальний закон розподілу.
Загальна похибка вимірювання температури маєдекілька складових:
складова похибки, що є похибкою самепервинного перетворення, зумовлена неідеальністю первинного перетворювачатемператури TMP04. Позначимо середньоквадратичне відхилення цієї складовоїпохибки через />. Згідно з технічною документацієюдо первинного вимірювального перетворювача температури TMP04, />;
складова похибки, що зумовлена вимірюваннямтривалості рівнів логічного нуля і логічної одиниці на виході первинноговимірювального перетворювача. При використанні сучасної елементної бази тасучасних схемотехнічних рішень, що зроблено у даному дипломному проекті,значення цієї похибки набагато менше, ніж першої складової, за рахунок високоїчастоти квантування часових інтервалів. Тому її значенням можна знехтувати;
складова похибки, що зумовлена випадковимизавадами на лінії передачі. Її значення важко передбачити і воно залежить відконкретних умов промислового виробництва. Тому для спрощення подальшихрозрахунків приймемо закон її розподілу за нормальний і значення рівнимзначенню складової похибки, що зумовлена неідеальністю первинного перетворювачатемператури — середньоквадратичне значення дорівнює />. Позначимо її середньоквадратичневідхилення через />. Середньоквадратичне значеннязагальної приведеної похибки вимірювання температури за допомогою розробленогопристрою знаходиться з виразу
/> (5.2)
Відповідно приведена середньоквадратичнапохибка вимірювання температури дорівнює 2,35%, а закон її розподілунормальний, тому як дві домінуючі складові похибки мають нормальний законрозподілу.
Висновок
В курсовому проекті розроблено комп’ютернийзасіб вимірювання тиску і температури у кліматичній камері. Комп’ютерний засіб розробленийвиходячи з можливості побудови на його основі системи автоматизованогоуправління технологічними процесами. Розроблена система отримує інформацію з двохпервинних вимірювальних перетворювачів тиску і температури.
Розроблена система за усіма характеристикамивідповідає умовам технічного завдання.
Література
1.        Измерения и компьютерно-измерительная техника: Учеб.пособие / В.А. Поджаренко, В.В. Кухарчук. — К.: УМК ВО, 1991. — 240 с.
2.        А.Я. Кулик, С.Г. Кривогубченко, М.М. Компанець, Д.С.Кривогубченко Проектування мікропроцесорних засобів автоматики. Під загальноюредакцією А.Я. Кулика. Навчальний посібник. — Вінниця: ВДТУ, 2001. — 135с.
3.        Гелль П. Как превратить персональный компьютер визмерительный комплекс: Пер. с франц. — 2-е изд., испр. — М.: ДМК, 1999. — 144с.
4.        Кар Дж. Проектирование и изготовление электроннойаппаратуры: Пер. с англ. — 2-е изд., стереотип., — М.: Мир, 1986. — 387 с.
5.        Датчики давления фирмы Motorola // Электронныекомпоненты и системы. — Киев: VD MAIS, 2001. — №9. — с.8
6.        www.analog.com.