Выбор типа первичного измерительного прибора и соответствующей схемы измерения заданного диапазона и метода измерения температур

Основные технические характеристики устройства для измерения температуры в удаленных точках

Диапазон измеряемых температур 0…300 °С.

Разрешающая способность – 2 °С.

Погрешность измерения – 1 %.

Оптическое разрешение – 14:1.

Время установления – не более 500 мс.

Диапазон ИК волн – 8…14 нм.

Источник питания – 4,5 В.

Зарядное устройство – 12 В, 300 мА.

Тип индикатора – жидкокристаллический.

Функциональная схема устройства для измерения температуры в удаленных точках приведена на рисунке 13.

Устройство для измерения температуры в удаленных точках предназначенное для бесконтактного измерения температуры объектов, находящихся на расстоянии нескольких метров от датчика. В основе данного устройства лежит пирометрический датчик, который преобразует тепловое излучение объекта, представляющего собой электромагнитные волны различной длины, в электрическое напряжение.

Таким образом, рассматриваемое устройство должно обеспечить преобразования напряжения с выхода датчика в соответствующее значение температуры и отображение его на индикаторе. Используем датчик фирмы Banner Engineerihg M18TUP14Q. Зависимость выходного напряжения от датчика M18TUP14Q от температуры объекта приведено на рисунке 12. Данный датчик имеет линейность 2 в диапазоне 0…50 ºC и 1 в диапазоне 50…300 ºC.

Рисунок 12 – Зависимость напряжения на выходе датчика от температуры объекта

Рассмотрим функционирование схемы устройства.

С выхода пироэлектрического датчика напряжение соответствующее температуре объекта поступает на ФНЧ, который предназначен для фильтрации помех. С выхода ФНЧ сигнал поступает на аттенюатор, с помощью которого выполняется калибровка устройства путем изменения коэффициента передачи. Далее сигнал поступает на согласующее устройство (СУ) предназначенное для подключения датчика к автоматическому цифровому преобразователю (АЦП). С выхода АЦП сигнал поступает на вход микроконтроллера (CPU1). Микроконтроллер осуществляет пересчет кода соответствующего выходному напряжению датчика в температуру объекта.

Рассмотрим алгоритм работы микроконтроллера (CPU1). Блок-схема алгоритма работы микроконтроллера (МК) приведена на рисунке 14. При нажатии кнопки ”Замер” на клавиатуре подключенной к порту Р1, МК через P0 проверяет наличие сигнала готовности АЦП. При поступлении сигнала готовность, в аккумулятор АМК записывается код с порта Р0. Далее МК производит процедуру сравнения содержимого аккумулятора А с кодом соответствующим напряжению на выходе датчика, при температуре объекта 50 ºC. В зависимости от результата сравнения в регистр МК Rn записываются соответствующие значения T 1, T 2, и .

Где значения T ₁ и T ₂ соответствуют крайним значениям температуры линейного участка характеристики датчика, а и – значение кода, соответствующего температуре объекта T ₁ и T ₂. В случае, положительного результата сравнения T ₁=0 °C и T ₂ =50 °C. В случае, отрицательного результата сравнения T ₁=50 °C и T ₂ =300 °C. Далее МК пересчитывает значение кода полученного с АЦП в значение температуры объекта по формуле

где – значение кода полученного с АЦП;

– температура объекта.

Далее код соответствующий значению температуры объекта через порты Р2 и Р3 поступает на схему управления ЖКИ и интерфейс USB. Таким образом, информация о температуре объекта поступает на отображение.

Далее в аккумулятор АМК записывается значение кода с Р1. В случае нажатой кнопки ”Cтоп” на порты МК Р2 и Р3 продолжает поступать значение подсчитанной температуру объекта. В ином случае через порот Р2 на АЦП поступает сигнал сброса и цикл измерения повторяется.

Питание элементов схемы осуществляется от аккумулятора напряжением 4,5 В с помощью DC – DC преобразователя. В качестве зарядного устройства (ЗУ) используется готовый нестабилизированный сетевой адаптер БПН 12-03 с выходным напряжением 12 вольт и током нагрузки 300 мА. С помощью супервизора контролируется заряд аккумулятора.

Рассмотрим схему управления ЗУ. В основе схемы лежит микроконтроллер (CPU2). Вывод AIN контроллера является входом аналогового компаратора, с помощью которого контролируется состояние источника питания (ЗУ). Вывод ADC это вход АЦП, с помощью которого измеряется напряжение на аккумуляторе. Высокий уровень на выходе P0 включает цепь зарядки аккумулятора. Высокий уровень на выходе P1 включает цепь разряда аккумулятора. Вывод P2 служит для индикации окончания заряда аккумулятора. Диод используется для защиты от неправильного подключения источника питания.

Рисунок 14 – Блок-схема алгоритма работы МК

Рассмотрим алгоритм работы микроконтроллера (CPU2). Блок-схема алгоритма работы микроконтроллера (МК) приведена на рисунке 15. После подачи питания на микроконтроллер, происходит частичная инициализация внутренних устройств микроконтроллера (порт ввода/вывода, таймер, АЦП, компаратор и т.п.). Так же начинает светиться светодиод VD5. Затем проверяется, в норме ли напряжение питания. Если напряжение в норме, то завершается инициализация и считывается значение статуса из энергонезависимой памяти (EEPROM) МК, чтобы узнать статус МК до отключения питания. Далее, проверяется, установлена ли аккумуляторная батарея в зарядное устройство. Для этого измеряется напряжение на аккумуляторной батарее. Если оно больше, чем 0,5 вольта, то считается, что батарея установлена. Если в момент включения питания батарея находилась в зарядном устройстве, то работа продолжится в соответствии с тем состоянием, которое было записано в энергонезависимую память.

Если раньше шёл разряд, то продолжится разряд, а затем начнётся заряд. Если шёл заряд, то продолжится заряд, пока аккумулятор не будет заряжен, после чего ЗУ будет отключено. Если же в момент включения питания батарея не была установлена, то будет начат новый цикл разряд/заряд по установке аккумулятора. Как только батарея будет установлена, будет включена цепь разряда аккумулятора. При этом начинает светиться светодиод VD3. Разряд будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на аккумуляторе не уменьшится до 1 В. После этого, разрядная цепь отключается и включается ЗУ. Светодиод VD3 гаснет и начинает светиться VD2. Если во время заряда аккумуляторы были извлечены из зарядного устройства до окончания процесса заряда, то из-за работающего ЗУ, напряжение на контактах держателя резко возрастёт. По этому признаку микроконтроллер узнаёт, что аккумуляторы были извлечены, и выключает режим заряда. В данном случае после установки аккумуляторов будет начат новый цикл разряд/заряд. По окончанию процесса заряда аккумулятора ЗУ отключается и начинает светиться VD4. За состоянием питающего напряжения следит аналоговый компаратор (вход AIN микроконтроллера).

Если напряжение на входе аналогового компаратора становится меньше необходимого значения, то происходит прерывание выполняемой программы, выходы контроллера переключаются на низкий уровень, состояние контроллера записывается в энергонезависимую память, и микроконтроллер переходит в режим ожидания.

Рисунок 15 – Блок-схема алгоритма работы МК