Комп’ютерний засіб вимірювання тиску і температури у кліматичній камері (стр. 4 из 6)
Пірометричні методи вимірів температури охоплюють широкий діапазон температур - від 173 до 6000 К, включаючий в себе низькі, середні та високі температури. Ці методи засновані на визначенні параметрів теплового випромінювання об'єкту без порушення його температурного поля. Теплове випромінювання являє собою электромагнітне випромінювання, збуджуване тепловим рухом атомів і молекул в твердих, рідких та газоподібних речовинах. При температурах вище 4000 К випромінювання викликається процесами дисоціації, та іонізації.
Спектрометричні методи застосовуються для вимірів надвисоких температур - вище 4000 К, при яких всі речовини знаходяться в стані плазми. Тому спектрометричні методи тісно пов'язані з фізикою та діагностикою плазми.
Спектрометричні методи можна поділити на пасивні та активні. Пасивні методи засновані на визначенні різних параметрів спектру випромінювання плазми, при якому процес виміру не впливає на величину, що вимірюється.
При використанні активних методів плазма облучається зовнішнім электромагнітним випромінюванням та її температура визначається по абсорбції, розсіюванню або швидкості розповсюдження зовнішнього випромінювання в середовищі що досліджується. Впливом зовнішнього випромінювання 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 три температури тісно зв'язані та характеризують температуру газу.
Випромінювання плазми складається здебільшого з ліній, та лише дуже малу частину складає безперервний спектр; тому пряма пірометрія для виміру температури плазми не може бути застосована. Вирішити, чи є зміряна температура газової або електронною, можна тільки, якщо відомий механізм випромінювання на даній довжині хвилі l та яким часткам - тяжким чи легким - належить випромінювання.
Найбільш розповсюджений пасивний метод визначення температури плазми заснований на вимірі інтенсивності молекулярних, атомних або іонних спектральних ліній, для яких відомі теоретичні залежності між інтенсивністю спектральних ліній та температурою.
В теперішній час все більшого розповсюдження набувають інтегральні первинні вимірювальні перетворювачі температури, які як правило використовуються для діапазону температур від - 800 до +2500 С.
Ці перетворювачі виготовляються такими провідними світовими виробниками як Analog Devices, Motorola, Intersil (Harris), та інші. Вихідним сигналом таких перетворювачів є напруга, яка лінійно залежить від вимірюваної температури, або імпульсний сигнал, інформативним параметром якого є частота або шпаруватість імпульсів.
Для контролю температури віддалених об’єктів доцільно використовувати термоперетворювачі з імпульсним вихідним сигналом. Це зумовлене наступними причинами:
аналоговий вихідний сигнал термоперетворювача для передачі на великі відстані необхідно перетворювати в цифровий код, тому як цифровий сигнал має набагато більшу завадостійкість, ніж аналоговий;
цифровий сигнал зручно перетворювати у сигнал інтерфейсу RS-485 або RS-422, які призначені для передачі даних на великі відстані;
інтегральні напівпровідникові термоперетворювачі як правило виконуються у невеликих за розмірами корпусами і легко встановлюються на об’єкті;
інтегральні напівпровідникові термоперетворювачі мають мале енергоспоживання, що дозволяє використовувати їх локальне акумуляторне живлення.
2. Розробка структурної схеми комп’ютерного засобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері
На рис.2.1 наведено структурну схему комп’ютерного засобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері.
Рисунок 2.1 - Структурна схема комп’ютерного засобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері
Принцип дії системи, яка розроблюється у курсовому проекті, полягає у наступному.
Первинний вимірювальний перетворювач температури або тиску перетворює температуру або тиск, у шпаруватість вихідних імпульсів, тобто в даному випадку, шпаруватість вихідних імпульсів перетворювача є функцією температури або тиску.
Сучасні напівпровідникові перетворювачі температури виконуються на основі КМОП (англійська абревіатура CMOS) технології, що забезпечує ультранизьке споживання пристроїв. Внаслідок того, що відстань між об’єктом та комп’ютером, згідно умов технічного завдання, складає не менше 1500 м, недоцільно використовувати загальну мережу живлення для всіх термоперетворювачів. Тому в подальшому будемо проектувати систему виходячи з того, що перетворювачі живляться від локального джерела живлення, яке знаходиться у безпосередній близькості до об’єкта, або від акумуляторної батареї.
Згідно умов технічного завдання, для передачі даних на велику відстань необхідно використовувати інтерфейс RS-485, який спеціально для цього призначений. Згідно специфікації цього інтерфейсу, він має негативну логіку, формат передачі даних - вісім або сім біт даних, один стартовий біт, два стопових біта, біт парності. Сигнали передаються у вигляді струму по двопровідній вітій парі з екраном, відстань передачі даних - до 2000 м. Для перетворення CMOS - рівнів в сигнали RS-485, використовується спеціалізований перетворювач, як це наведено на структурній схемі.
Для перетворення симетричного вихідного сигналу мультиплексора у несиметричний сигнал CMOS - рівнів, який необхідний для роботи мікроконтролера, використовується відповідний перетворювач, як вказано на структурній схемі системи. Вихідний сигнал перетворювача подається на вхід мікроконтролера, який вимірює шпаруватість вихідних імпульсів первинного перетворювача температури і розраховує температуру згідно рівняння перетворення використовуємого датчика. Окрім того мікроконтролер здійснює керування диференційним мультиплексором, тобто формує код каналу, шпаруватість сигналу якого потрібно виміряти. Керування мікроконтролером здійснюється ПЕОМ у відповідності з програмою роботи системи через послідовний порт. Для нормальної роботи послідовного порта необхідно, щоб рівень логічної одиниці бів - 12 В, рівень логічного нуля +12 В, тобто відповідно специфікації інтерфейсу RS-232. Для перетворення CMOS - рівнів на виході мікроконтролера в рівні RS-232 використовується відповідний перетворювач, як це наведено на структурній схемі.
3. Розробка електричної принципової схеми комп’ютерного засобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері
Електрична принципова схема розробленого пристрою наведена у графічній частині курсового проекту. Пристрій розрахований на підключення двох перетворювачів, але потенційно дозволяє обробляти інформацію від восьми різних первинних вимірювальних перетворювачів без суттєвого ускладнення схеми. У якості первинного вимірювального перетворювача температури (DA1-DA8) обрано перетворювач фірми Analog Devices TMP04. Цей перетворювач має наступні технічні характеристики:
напруга живлення - 4.5 - 7 В;
трьохвивідний корпус ТО-92;
точність первинного перетворення +/ - 1.50 С;
CMOS/TTL вихідні рівні;
діапазон температур: - 40 - +150 0 С;
частота вихідного сигналу 35 Гц;
інформативний параметр вихідного сигналу - шпаруватість імпульсів;
У якості перетворювача CMOS - рівнів в сигнали інтерфейсу RS-485 обрано мікросхему ADM488 фірми Analog Devices (DD1-DD8).
Ця мікросхема уявляє собою драйвер та ресивер сигналів RS-485, тобто драйвер перетворює сигнали TTL або CMOS рівнів в формат RS-485, а ресивер перетворює сигнали RS-485 в TTL або CMOS. Основні характеристики 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 0 С;
струм споживання - 15 мА.
У даній системі для перетворення вихідних сигналів первинних вимірювальних перетворювачів температури використовуються тільки драйвери.
Живлення первинного вимірювального перетворювача температури і драйвера RS-485 здійснюється від локального джерела живлення, напруга якого подається через той самий роз’єм, що і вимірювальні сигнали.
Сигнали інтерфейсу RS-485 через роз’єми і віту пару поступають на вісьмиканальний аналоговий мультиплексор з диференційними входами і виходами. У якості мультиплексора обрано мікросхему ADG707 фірми Analog Devices (DA9). Основні параметри цієї мікросхеми наступні:
кількість каналів - 8;
напруга живлення - однополярна або двополярна від 3 до 18 В;
диференційні входи;
диференційні виходи;
опір у відкритому стані - 0.5 Ом
Мультиплексор має вхід вибірки. Він знаходиться в активному стані, коли на цому вході присутній рівень логічної одиниці. У нашому випадку мультиплексор постійно знаходиться в активному режимі, тому як на його вхід через резистор R9, від джерела живлення, постійно подається рівень логічної одиниці.
Вихідний сигнал мультиплексора поступає на ресивер, реалізований на мікросхемі ADM488, який здійснює перетворення сигналів RS-485 в CMOS.
Сигнали з виходу ресивера поступає на вхід мікроконтролера, з виходу якого, через перетворювач рівню, в послідовний порт ПЕОМ.
Живлення мультиплексора, ресивера, перетворювача, мікроконтролера здійснюється від послідовного порта ПЕОМ.
Для розробки приладу обираємо термокомпенсований тензоперетворювач тиску фірми Motorola MPX1986. Вихідним сигналом цього сенсора є послідовність імпульсів, шпаруватість яких прямо пропорційна 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;