Датчики тиску, складу газу, швидкості потоку й витрати газу

Прилади для вимірювання тиску застосовують майже у всіх галузях промисловості, особливо в машинобудуванні, хімічній, харчовій промисловості й енергетиці. Датчики тиску можна розділити на наступні кілька груп за типом вимірюваного тиску.

Датчики абсолютного тиску. Точкою відліку для них слугує нульовий тиск, тобто вакуум. Такі датчики застосовують переважно у хімічній, харчовій промисловості, у фармацевтиці – там, де параметри технологічного процесу залежать від абсолютного значення тиску. Вимірюваний абсолютний тиск звичайно не перевищує значення 50–60 бар.

Датчики відносного тиску. Покази цих датчиків відлічуються від значення зовнішнього атмосферного тиску. Це найпоширеніший тип датчиків тиску, які вимірюють тиск у системах водопостачання, різних трубопроводах і ємностях.

Датчики диференціального тиску. Датчики мають два входи, і результатом вимірів є різниця тисків між цими входами. Ця різниця може бути як позитивною, так і негативною, однак деякі моделі датчиків диференціального тиску вимірюють тільки однобічні зміни диференціального тиску. Вони застосовуються для контролю забруднення фільтрів при фільтрації газів або рідин. Їх використовують як датчики рівня рідини при вимірюванні рівня гідростатичним методом. За допомогою датчиків диференціального тиску вимірюють витрати рідини.

Одним з перших типів датчика тиску був датчик із чутливим елементом ємнісного типу. Такі датчики застосовують, наприклад, у приладах для вимірювання кров'яного тиску. Датчики тиску з ємнісним чутливим елементом мають високу точність вимірів, широкий діапазон і довготермінову стабільність. Наприклад, датчики тиску серії 3015 виробництва компанії Rosemount мають точність виміру 0,15%, довготермінову стабільність 0,125% протягом п'яти років експлуатації й діапазон 100:1. Іншим типом датчиків є датчик тиску із чутливим елементом у вигляді мембрани із закріпленими на ній тензодатчиками. Як правило, мембрана виготовляється з нержавіючої сталі або іншого стійкого металу. Тензодатчики звичайно роблять металевими – з манганіну, константану або кремнію. [7]

Недавно стали використовувати датчики тиску з мембраною з кераміки, з п'єзорезистивними датчиками. Датчики з такою мембраною мають більшу довготермінову стабільність показів і високу стійкість до перевантажень за тиском. Розвиток електроніки дає змогу в більшій мірі застосовувати мікропроцесорні технології в системах обробки сигналів датчиків тиску, реалізуючи цифрові інтерфейси виводу інформації з датчиків або їхнє переналаштування за діапазоном. Датчики тиску PF2057 виробництва IFM Electronic мають керамічну фронтальну мембрану, що дає змогу використовувати їх для вимірювання тиску в'язких середовищ і суспензій, а також у харчовій промисловості. Крім струмового виходу 4–20 мА датчик має граничний транзисторний вихід, світлодіодний дисплей і має змогу переналаштовуватися за діапазоном в 4 рази.

Датчики складу газів застосовують у хімічному виробництві для контролю за ходом технологічного процесу, а також для моніторингу стану атмосфери й забезпечення безпеки у виробничих цехах і житлових приміщеннях.

Датчики, що визначають наявність і концентрацію вибухонебезпечних газів, таких як метан, пропан, водень, ацетилен, зазвичай, використовують каталітичний принцип. У таких пристроях поверхня чутливого елемента покрита тонким шаром каталізатора, роль якого може виконувати, наприклад, платина, палладій або діоксид олова. Газ, що потрапляє на шар каталізатора, окисляється киснем повітря й викликає додаткове нагрівання цього шару. Зміна температури призводить до появи електричного сигналу, що підсилюється електронною схемою.

Датчики для визначення концентрацій токсичних газів, таких, наприклад, як аміак або сірководень, використовують електрохімічний принцип вимірювання. Газ надходить у ємність, де під дією електричного струму відбувається хімічна реакція. Вибираючи матеріал електродів і розділової мембрани у вимірювальній ємності, а також силу струму, можна домогтися того, що в реакцію буде вступати тільки певний газ, концентрацію якого необхідно виміряти.

Третім типом датчиків газу можна назвати ІЧ-датчики газу. Принцип вимірювання ґрунтується на поглинанні газами певних довжин хвиль ІЧ-діапазону. Той або інший газ поглинає лише певні довжини хвиль і коефіцієнт поглинання пропорційний концентрації газу. ІЧ-датчики газу мають низку переваг: довготермінова стабільність, відсутність чутливості до інших газів, висока точність. Незважаючи на те, що цей тип датчиків був розроблений давно, його широке застосування стримувалося високою вартістю устаткування. З появою нових приймачів і випромінювачів ІЧ-діапазону вартість таких приладів наближається до вартості звичайних датчиків газу.

3.2. Генератор на PIC16F84A і AD9850

Вимірювальнігенератори, в яких необхідне значення частоти встановлюють за допомогою клавіатури, ці прилади виконані на мікроконтролері, діапазон генерованих частот обмежений декількома мегагерцами, а набуття точного значення частоти неможливе.

Описуваний в статті генератор теж містить мікроконтролер, але використаний він тільки для управління спеціалізованої мікросхемою- синтезатором частоти AD9850. Застосування цієї мікросхеми дозволило розширити діапазон генерованих частот від доль герца до 60 Мгц, в межах якого можна отримати будь - яке значення частоти з точністю 1 Гц. [2] Він опитує клавіатуру SB1 - SB16, виводить інформацію на РК індикатор HG1, обчислює значення коду частоти і передає його по послідовному інтерфейсу в синтезатор DD2. Звуковипромінювач НА1 служить для підтвердження натиснення кнопок клавіатури. Мікросхема AD9850(DD2) використана в стандартному включенні. На виході її ЦАПа включений фільтр Z1. Після фільтру сигнал синусоїдальної форми подається на гніздо XW2 і на вхід компаратора мікросхеми DD2(висновок 16).

З виходу останнього сигнал прямокутної форми поступає на гніздо XW1. В якості тактового генератора для DDS застосований кварцовий генератор G1.Після скидання мікроконтролера робиться налаштування РК індикатора HG1 на режим обміну по шині 4 біта, що необхідно для зменшення числа ліній введення/виведення, потрібних для запису інформації.

Управляють генератором за допомогою клавіатури, що складається з кнопок SB1, - SB16. Оскільки усі лінії порту В, що є вхідними, підключені до джерела живлення через резистори, необхідності в зовнішніх резисторах, " що підтягують" порти RB4 - RB7 до лінії живлення, немає. Резистори R3 - R6 захищають виходи мікроконтролера від перевантаження при випадковому натисненні декількох кнопок одночасно.

Необхідну частоту встановлюють з клавіатури. Для цього, натискаючи на кнопки з відповідними цифрами, вводять потрібне значення(у герцах) і натискають кнопку "*". Якщо частота не перевищує максимально допустимої, на індикаторі на короткий час з'являється повідомлення " ОКИ" і генератор переходить в робочий режим, а якщо перевищує, - повідомлення " Error". В цьому випадку треба натиснути кнопку" "("Скидання") і наново набрати правильне значення. Так само поступають і при помилці в процесі введення частоти.

Двократне натиснення цієї кнопки переводить прилад в робочий режим зі встановленим раніше значенням частоти.У робочому режимі в крайньому правому знакомісці індикатора блимає символ зірочки. Якщо поточне значення частоти введене із зовнішнього блоку управління(наприклад, з комп'ютера), то щоб повернутися до частоти, що відображається на індикаторі, досить натиснути кнопку "*".

Кнопки " U"(Up - вгору) і " D"(Down - вниз) дозволяють ступінчасто змінювати вихідну частоту генератора, відповідно збільшуючи або зменшуючи значення десяткового розряду на одиницю. Необхідний десятковий розряд вибирають, переміщаючи курсор кнопками " L"(Left - вліво) і " R"(Right - управо).

При натисненні кнопки "*" значення частоти і позиція курсора зберігаються в енергонезалежній пам'яті мікроконтролера, завдяки чому при наступному включенні живлення перерваний режим роботи автоматично відновлюється.

Оскільки обчислювальні здібності мікроконтролера обмежені, значення вихідної частоти виставляється з точністю близько 1 Гц, що досить для більшості випадків. Щоб повною мірою реалізувати можливості синтезатора, їм можна управляти за допомогою ПК. Для цього генератор необхідно допрацювати, доповнивши його вузлом, схема якого показана на мал. 3. ПК(чи інший пристрій, що управляє) підключають до розетки XS1.

 

 

При низькому логічному рівні на адресних входах А мультиплексори мікросхеми DD3 підключають входи управління синтезатором до мікроконтролера DD1, а при високому - до зовнішнього пристрою. Сигнали управління поступають через контакт " ENABLE" розетки XS1. Резистор R19 забезпечує низький логічний рівень на адресних входах DD3 при непідключеному облаштуванні управління.

Генератор зібраний і випробуваний на макетній платі. Якщо не вдасться придбати плату під корпус SSOP для мікросхеми DD2, можна використати для підключення її виведень до відповідних контактних майданчиків короткі(завдовжки 10 15 мм) відрізки лудженого дроту діаметром 0,2 мм. Виведення 1,2,5,10,19, 24, 26, 27, 28 сполучають із загальним дротом одним відрізком більшої довжини.

РК індикатор HG1 - 1ТМ1601(16-символьний однорядковий зі вбудованим контролером). НА1 - будь-який п'єзоелектричний випромінювач звуку зі вбудованим генератором, розрахований на напругу 5 В. В якості тактового генератора(G1) можна використати мікрозборкукварцевого генератора на частоту до 125 Мгц, допустиме застосування подібного вузла з кварцевою стабілізацією і на дискретних елементах.

Програма мікроконтролера, що управляє, залежить від частоти тактового генератора.При програмуванні мікроконтролера в конфігураційному слові встановлюють наступні значення бітів: тип генератора(OSC) - RC. сторожовий таймер(WDT) - вимкнений, затримка після включення живлення(PWRTE) - дозволена. [3]

3.3. Датчики серії MPVZ

Датчики серії MPVZ від FreescaleSemiconductorMPVZ4006, MPVZ5004, MPVZ5010 відрізняються наявністю посиленого аксіального порту спеціальної

конструкції, що полегшує кріплення трубок, що підводять тиск - він має велику висоту і збільшений діаметр.

Ще одна особливість - використання спеціального гелю для захисту від дії довкілля. Поєднання цих чинників робить цей датчик ідеальним для використання в таких застосуваннях, як контроль рівня рідини. На кристал датчика інтегровані ланцюгу температурної стабілізації, фільтрації і посилення вихідного сигналу - його можна подавати безпосередньо на вхід АЦП мікроконтролера.

 

Датчик серіїї MPVZ

Компанія HopeRF випускає HP03 - сімейство датчиків для виміру тиску має зручне конструктивне виконання у вигляді модулів, реалізованих на основі п'єзорезистивного елементу. Високої точності виміру дозволяє добитися АЦП з дозволом до шістнадцяти розрядів і можливість програмно встановлювати одинадцяти поправочних коефіцієнтів. Модуль відрізняє низьке енергоспоживання, а наявність I2C- інтерфейсу істотно спрощує підключення до мікроконтролера.

Відмітні особливості:діапазон виміру: 30...110 кПа;дельта-сигма АЦП з дозволом до 16 біт; не потрібні зовнішні компоненти; напруга живлення: 2,2...3,6 В; інтерфейси: I2C; температурний діапазон: - 20°C...60°С.

Функціональна схема HP03

Області застосування:системи контролю і виміру тиску, портативні альтиметри/барометри, GPS- приймачі, облаштування з функцією прогнозу погоди.

3.4. Мікроконтролер AT90S2313 фірмиAtmel

AT90S2313 - економічний 8 бітовий КМОП мікроконтролер, побудований з використанням розширеної RISC архітектури AVR. Виконуючи по одній команді за період тактової частоти, AT90S2313 має продуктивність близько 1MIPS на Мгц, що дозволяє розробникам створювати системи оптимальні за швидкістю і споживаній потужності.

У основі ядра AVR лежитьрозширена RISC архітектура, що об'єднуєрозвиненийнабір команд і 32 регістризагальногопризначення. Усі 32 регістрибезпосередньопідключені до арифметико-логічного пристрою(АЛП), щодає доступ до будь-якихдвохрегістрів за один машинний цикл. Подібна архітектура забезпечує десятиразовий виграш в ефективності коду в порівнянні з традиційними CISC мікроконтролерами.

AT90S2313 пропонує наступні можливості: 2кБ завантажуваної флеш пам'яті; 128 байт EEPROM; 15 ліній введення/виведення загального призначення; 32 робітників регістра; таймери, що настроюються, лічильники з режимом збігу; зовнішні і внутрішні переривання; програмований універсальний послідовний порт; програмований строжевий таймер зі вбудованим генератором; SPI послідовний порт для завантаження програм; два вибираних програмно режиму низького енергоспоживання. Неодружений режим(IdleMode) відключає ЦПУ, залишаючи в робочому стані регістри, таймери/лічильники,SPI порт і систему переривань. Економічний режим(PowerDownMode) зберігає вміст регістрів, але відключає генератор, забороняючи функціонування усіх вбудованих пристроїв до зовнішнього переривання або апаратного скидання.

Мікросхеми робляться з використанням технології енергонезалежної пам'яті високої щільності фірми Atmel. Завантажуванафлеш пам'ять на кристалі може бути перепрограмована прямо в системі через послідовний інтерфейс SPI або доступним програматором енергонезалежної пам'яті.

Об'єднуючи на одному кристалі вдосконалений 8-бітовий RISC процесор із завантажуваною флеш пам'яттю, AT90S2313 є потужним мікроконтролером, який дозволяє створювати досить гнучкі і ефективні за вартістю пристрої.

AT90S2313 підтримується повною системою розробки що включає макроасемблер, програмний відладчик/симулятор, внутрішньосхемний емулятор і налагоджувальний комплект.

3.5. Мікроконтролери AT90S2323 і AT90S2343

AT90S2323 і AT90S2343 пропонують наступні можливості: 2кБ завантажуваної флеш пам'яті; 128 байт EEPROM; 128 байт статичного ОЗУ; 3(90S2323) або 5(90S2343) ліній введення/виведення загального призначення; 32 робітників регістра; 8 розрядний таймер/лічильник; зовнішні і внутрішні переривання; програмований строжевой таймер зі вбудованим генератором;SPI послідовний порт для завантаження програм; два вибираних програмно режиму низького енергоспоживання.Холостий режим(IdleMode) відключає ЦПУ, залишаючи в робочому стані регістри, таймери/лічильники, SPI порт і систему переривань. Економічний режим(PowerDownMode) зберігає вміст регістрів, але відключає генератор, забороняючи функціонування усіх вбудованих пристроїв до зовнішнього переривання або апаратного скидання.

Порівняння 90S2323 і 90S2343 AT90S2323 розроблені для використання із зовнішнім керамічним або кварцевим резонатором. Час запуску резонатора можна встановлювати як 1 мС(для керамічних резонаторів) або 16мС(для кварцових резонаторів). Мікросхема має три ніжки введення/виведення.

AT90S2343 працює із зовнішнім джерелом тактових імпульсів або зі вбудованим RC генератором. [5]

Мікросхема має п'ять ніжок введення/виведення.

AtmelCorporation - виготівник напівпровідникових електронних компонентів. Компанія заснована в 1984 році. Акції продаються на біржі, NASDAQ: ATML. Один з лідерів виробництва мікроконтролерів(MCS - 51, ARM, AVR, AVR32).

Також розробляє і робить невеликі модулі енергонезалежної пам'яті для електронних виробів, ПЛИС, цифрові мікросхеми-радіоприймачі і передавачі, сканери відбитків пальців. Компанія для своїх клієнтів може запропонувати систему на кристалі, що об'єднує компоненти, що зажадалися.

Продукція Atmel широко застосовується в комп'ютерних мережах, промисловості, медицині, зв'язку, автомобілях, космосі, військових пристроях, а також кредитних картах.

Стівен Лауб - президент і генеральний директор корпорації Atmel.

Перший мікроконтролерAtmel з'явився в 1993 році і був грунтований на класичному мікроконтролерному ядрі Intel 8051. Продукція Atmel включає мікроконтроллери MCS - 51, AT91SAM і AT91CAP(грунтовані на ядрі ARM), мікроконтролери на їх власних ядрах Atmel AVR і AVR32, радіочастотні(RF) пристрої, мікросхеми пам'яті типів EEPROM і флеш(включаючи пам'ять, грунтовану на DataFlash)і деяка кількість інших продуктів цієї ж галузі.

Atmel поставляє свої пристрої як стандартні, повністю укомплектовані. В деяких випадках Atmel може запропонувати SoC рішення.

 

ВИСНОВКИ

У роботі була опрацьована та систематизована інформація з наукової, методичної та педагогічної літератури; проведена систематизація методики та практики впровадження самостійного виготовлення приладів для вимірювання атмосферного тиску. Вивчена їх історія розвитку та сучасний стан використання. З’ясовано важливість використання проаналізованих приладів на уроках фізики з метою підвищення ефективності їх використання. Виявлено місце і значення використання приладів з вимірювання атмосферного тиску у шкільному курсі фізики.

У зв’язку з визначеною метою розв’язано ряд задач:

1) Опрацьовано наукову й методичну літературу стосовно використання приладів для вимірювання атмосферного тиску, а також проаналізовано отриману інформацію;

2) ознайомилися з можливостями і місцем даних приладів та методів при використання у сучасних наукових дослідженнях;

3) з урахуванням психолого-педагогічних вимог навчальну комп’ютерну програму максимально адаптували до умов шкільного використання.

Апробація пристрою проводилась під час другої педагогічної практики (Володимир-Волинська гімназія, 10-А Клас).

Розроблено навчальну комп’ютерну програму для вивчення сучасних електронних методів вимірювання атмосферного тиску та розроблена для неї методика адаптування для вивчення фізики в умовах школи.