УДК 532.526.4

                        ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ МОДУЛЬ

УНИВЕРСАЛЬНОГО ТЕРМОАНЕМОМЕТРА

 Д.Н. Кузнецов, А.А. Зори, А.С. Руденко 

Донецкий национальный технический университет (ДонНТУ), Украина

      E-mail: kuzen2000@rambler.ru

Резюме

В статье предложены структура, алгоритм работы и имитационная модель интеллектуального микропроцессорного модуля универсального термоанемометра, обеспечивающего работу термоанемометра в различных режимах: постоянной температуры, постоянного тока, постоянной мощности, импульсном режиме и режиме трех и более перегревов. Приведены результаты моделирования термоанемометра.

Summary

There are structure, operation algorithm and a simulation model of intelligent  microcomputerized, universal anemometer, providing the work of anemometer in various modes: constant temperature, constant current, constant power, pulse action and the mode of three or more overheating. There are the results of anemometer modeling.

Общая постановка проблемы

Термоанемометрические измерители скоростей и расходов газовых потоков широко применяют для учета материальных ресурсов, обеспечения требуемого качества продукции, совершенствования технологии, автоматизации производства и безопасности труда во многих областях деятельности человека. Поэтому актуальной является проблема повышения точности, метрологической надежности и расширения функциональности термоанемометрических измерительных преобразователей в составе современных измерительных микропроцессорных систем [1].

     Из метрологии известно, что совместная обработка результатов измерений, полученных различными средствами при измерении одной и той же физической величины, позволяет в ряде случаев существенно снизить погрешность и повысить достоверность результата измерения. Разработанный интеллектуальный микропроцессорный модуль универсального термоанемометра (ТА) обеспечивает работу ТА в различных режимах: постоянной температуры, постоянного тока, постоянной мощности и импульсном режиме. Совместная обработка результатов измерений, полученных при различных режимах работы ТА, потенциально позволяет повысить точность измерений и реализовать ряд дополнительных функций самодиагностики и самокалибровки. Предложенная в статье структурная схема ТА достаточно просто реализует метод трех (и более) перегревов, который, по данным источников [2, 3],  позволит уменьшить температурную погрешность показаний ТА и упростить градуировку.

 Целью работы является моделирование работы универсального термоанемометра с цифровым регулятором.

    Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Разработка структуры и обобщенного алгоритма работы интеллектуального микропроцессорного модуля универсального термоанемометра, обеспечивающего работу термоанемометра в различных режимах.

2. Разработка имитационной модели и программного обеспечения  универсального термоанемометра.

3. Реализация и настройка цифрового регулятора, анализ результатов моделирования.

    Решение поставленных задач

Структурная схема универсального ТА, реализующая рассмотренные ранее различные режимы работы ТА, приведена на рисунке 1. Основными структурными элементами схемы являются микроконтроллер МК, цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи (ЦАП и АЦП), усилитель мощности сигнала ЦАП (УМ) и резистивный делитель напряжения, состоящий из опорного резистора R и термочувствительного элемент Rt.

Обобщенный алгоритм работы ТА заключается в циклическом выполнении через заданный интервал времени (период дискретизации) dt следующих действий:

1)  Измерение напряжения термочувствительного элемента (ТЧЭ) U_Rt .

2)  Расчет текущих значений соответствующего стабилизируемого параметра. Например, сопротивления Rt для режима постоянной температуры (1); тока через Rt для режима постоянного тока (2) или мощности для режима постоянной мощности (3).

Сопротивление ТЧЭ в режиме постоянной температуры

                                                             Rt = (URt · R) / (Ud - URt),                                                                                                           (1)

где U_d – напряжение измерительного моста.

Ток через ТЧЭ в режиме постоянного тока

I = (Ud - URt) / R.                                                                                                           (2)

Мощность, подводимую к ТЧЭ, в режиме постоянной мощности

P = URt · I.                                                                                                             (3)

3) Расчет ошибки регулирования, как разность между измеренным и заданным значениями стабилизируемого параметра.

4)    Формирование управляющего воздействие согласно выбранному закону регулирования.

5)  Выдача управляющего воздействия, которое через ЦАП и усилитель поступает в цепь питания измерительного моста.

Рисунок 1 – Структурная схема универсального термоанемометр

Имитационная модель интеллектуального микропроцессорного модуля универсального ТА приведена на рисунке 2. Модель разработана в пакета PROTEUS VSM от компании Labcenter Electronics [4]. Данный пакет поддерживает смешанный способ моделирования микроконтроллеров и интерактивных моделей, что позволяет моделировать полноценные микропроцессорные системы. В качестве МК используется AVR микроконтроллер ATmega16 с тактовой частотой 16 МГц. К линиям портов МК подключены 12-разрядные АЦП (ADC1) и ЦАП (DAC1). В роли ТЧЭ используется малогабаритный термистор RT1 со следующими параметрами:

- номинальное сопротивлением R0=2 кОм при температуре T0=25 ⁰С;

- коэффициент рассеяния H=1 мВт/⁰С;

- постоянная времени τ=1 с.  

Сопротивление термистора при температуре T=100 ⁰С составляет 200 Ом. Из условия наилучшего согласования по мощности номинал опорного резистора R1 так же был выбран равным 200 Ом.

Рисунок 2 –  Имитационная модель интеллектуального

 микропроцессорного модуля универсального ТА

При разработке программного обеспечения интеллектуального микропроцессорного модуля универсального ТА использовалась интегральная среда разработки CodeVisionAVR. Разработанная программа обеспечивает работу термоанемометра в режиме постоянной температуры с возможностью программной установки температуры перегрева термистора. Для поддержания заданной температуры (сопротивления) термистора в программе реализован интегральный закон регулирования, обеспечивающий минимальный уровень пульсаций выходного напряжения на термисторе.

Результаты моделирования работы ТА в режиме трех перегревов приведены на рисунке 3. Результаты отражают динамику изменения сопротивления термистора при переходе на другую рабочую температуру. При моделировании начальное значение температуры термистора устанавливалось равным 97 ⁰С (Rt=220 Ом), второе значение – 100 ⁰С (Rt=200 Ом), третье значение – 105 ⁰С (Rt=180 Ом).  По результатам моделирования установлено, что длительность переходного процесса при переключении перегрева соизмерима с постоянной времени термистора и составляет порядка 1 секунды.

Рисунок 3 –  Результаты моделирования ТА в режиме трех перегревов

Выводы

Предложенные структура и алгоритм работы интеллектуального микропроцессорного модуля универсального ТА, обеспечивают работу ТА в различных режимах. Переключение между режимами осуществляется чисто программным путем без внесения, каких либо изменений в аппаратную часть. Это существенно расширяет функциональность ТА и позволяет относительно просто осуществлять самодиагностику и самокалибровку.

Список литературы

1. Измерительные микропроцессорные системы скорости и температуры потоков газа и жидкости: монография / Д.Н. Кузнецов, А.А. Зори, А.Е. Кочин; под общ. Ред. А.А. Зори. –  Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ»,  2012. – 226 с.

2. Ярин Л.П. и др. Термоанемометрия газовых потоков/ Л.П.Ярин, А.Л.Генкин, В.И.Кукес. –Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1983, – 198 с.

3.  Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. Пер. с англ. – М.: Мир, 1974. – 278 с.