Микропроцессорные устройства измерения температуры на базе термометров сопротивления

Актуальность работы. Температура является одной из наиболее часто измеряемых физических величин [25], датчики температуры являются одной из важнейших разновидностей датчиков, считается даже, наиболее важной [6]. Температуру необходимо учитывать при управлении многими естественными и искусственными процессами. Устройства измерения и регулирования температуры нашли широкое применение в бытовой технике, а именно:

• в системах отопления помещений;

• в электронагревательных приборах;

• в холодильниках и морозильниках, в промышленном производстве:

• при изготовлении особочистых материалов интегральных микросхем;

• в асфальтном и бетонном производствах;

• на хлебопекарных и кондитерских фабриках, а также во многих других технологических процессах и при проведении научных экспериментов.

Благодаря многообразию процессов, в которых необходимо знать и учитывать температурные характеристики объектов, появилось множество различных по назначению датчиков для измерения температуры. Широко известны измерительные преобразователи температуры в электрические величины, такие как сопротивление и напряжение. На современном этапе благодаря развитию вычислительной техники и средств электронных коммуникаций получили распространение датчики с цифровым выходным сигналом. Использование датчиков температуры связано с разработкой устройств для обработки их выходных сигналов. Эти устройства используются для передачи сигналов датчиков в устройства автоматики, а также для преобразования этих сигналов с выводом на устройства индикации в виде, удобном для восприятия человеком.

Помимо непосредственных измерений, по значению температуры можно косвенно определять и другие параметры, например, скорость потока жидкостей и газов, а также учитывать влияние температуры на другие параметры, такие как давление, длину, объём и т. п.

Вопросам теории и практики термометрии посвящено большое количество обобщающих работ. История термометрии представлена в работах профессоров Г. Бухдаля, В. Мидлтона [75], Ф. Шервуда-Тейлора [78], П. Профоса [15]- обзор работ учёных мира в этой области изложены в книге Т. Куинна «Температура» [27,75] - одном из наиболее крупных обзоров по термометрии за последнее время. Среди трудов советских учёных достаточно упомянуть монографии В. П. Преображенского [41], Г. М. Кондратьева [24], О. А. Геращенко [7], А. М. Турчина, Г. И. Кавалерова [17], Ф. Е. Темникова [54], В. М. Гинзбурга. Применению микропроцессоров в устройствах измерения температуры посвящены работы таких известных учёных, как Э. И. Цветков [61, 62], ГЛ. Мирский [32], А.М. Мелик-Шахназаров [30]. Вопросы решения прикладных задач измерения и регулирования температуры освещаются в работах американских и английских учёных Ф. Мейзды [31], Дж. МакАллана, Ж. Тирьена [79], Дж. Холла и К. Барабера [69,70] и многих других, немецких исследователей Г. Виглеба [6, 84, 85], В. Диля, Г. Захса, а также в изданиях таких известных производителей датчиков и устройств, как Hewlett-Packard [77], Zilog [86], Analog Devices [66], Omega [76, 81] и других.

Задача реализации устройств измерения температуры (УИТ), исходя из рассмотренного выше разнообразия регулируемых процессов, определяется многими переменными. В каждом конкретном случае подлежат решению вопросы структуры устройства, алгоритма измерения, модульной базы и результирующей точности проектируемого прибора. Причем все они взаимосвязаны, поэтому необходимо решать их совместно в комплексе.

Рост количества фирм и номенклатуры изделий для регистрации, измерения, преобразования, обработки и регулирования температуры ярко свидетельствует об актуальности темы. Однако при всем многообразии выпускаемых приборов нет универсальных средств или структур этих приборов, позволяющих эффективно подходить к решению задач конкретного измерения. Современные зарубежные достижения в этом вопросе мало освещаются в российских публикациях, и в большинстве своем их источники не переведены на русский язык. Учёт опыта и обмен статьями, докладами имеет огромное значение.

Важной задачей организации, занимающейся разработкой и внедрением, а также организации, занимающейся серийным выпуском приборов измерения и автоматизации, является сокращение сроков разработки и снижение себестоимости приборов за счёт унификации. В связи с этим можно сделать вывод о необходимости проведения исследования возможности разработки устройства измерения температуры, которое удовлетворяло бы следующими требованиям:

• универсальность с возможностью адаптации под конкретную задачу;

• устойчивость к воздействию факторов нестабильности;

• преемственность структуры при разработке модификаций устройства с возможностью применения набора датчиков различных типов;

• использование принципа относительности измерения [40], согласно которому измерения и преобразования выполняются с нормированными величинами;

• осуществление автоматической привязки относительных величин к ре-перным точкам шкалы или упрощение калибровки прибора.

Целью диссертационной работы является исследование существующих методов измерения температуры, их анализ и обобщение, исследование возможностей уменьшения погрешностей канала измерения, разработка универсальной структурной схемы микропроцессорного измерителя температуры, создание методики проектирования микропроцессорных устройств измерения температуры на базе полученной структурной схемы, разработка алгоритмов измерения для проектируемых по этой методике устройств, исследование и разработка схем включения различных типов датчиков к микропроцессорному устройству, разработка алгоритмов линеаризации функции преобразования, исследование и выбор микропроцессорных средств решения поставленных задач.

Методы исследования. Для теоретического и практического решения поставленной задачи использовались математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, теория численных методов, моделирования и аппроксимации функций, теория тепломассообмена.

Научная новизна работы.

1. Разработана структурная схема МУИТ, являющаяся базовой для проектирования модификаций устройств измерения, а также методика проектирования таких устройств. Согласно этой методике требования технического задания достигаются за счёт изменения программного обеспечения при незначительных изменениях схемотехники базовой структуры.

2. Разработан универсальный алгоритм управления МУИТ, позволяющий включать в состав программы функции измерения и стабилизации, соответствующие подключаемым к устройству датчикам и регулируемым устройством объектов. Функции накапливаются в виде библиотеки подпрограмм в ходе разработки модификаций устройства.

3. Разработан алгоритм цифровой обработки сигналов первичных датчиков, исключающий влияние параметров измерительного канала на точность работы устройства.

4. Реализованы два алгоритма линеаризации граду ировочных характеристик термосопротивлений и термопар для микроконтроллеров типа Zilog, Microchip.

Практическая значимость результатов проведенных исследований заключается в возможности улучшения основных метрологических характеристик (точности, достоверности, уровня автоматизации) рабочих и образцовых устройств измерения температуры, что, в свою очередь, будет способствовать улучшению качества контроля технологических процессов. Разработанные функциональные алгоритмы, а также математические модели и программы расчета функций линеаризации и коррекции градуировочных характеристик термодатчиков позволяют облегчить решение практических задач по конструированию МУИТ. Разработанная универсальная структура позволила существенно сократить сроки разработки одноканальных, многоканальных МУИТ и терморегуляторов с программным управлением.

Разработана методика проектирования устройств измерения температуры, позволяющая ускорить процесс создания новых устройств, разработки интерфейсов датчиков, индикаторов, снизить затраты на создание многоканальных устройств.

Разработаны алгоритм обработки сигнала и структура измерительного канала, позволяющий обеспечивать заданную точность измерения температуры. Использование алгоритма позволяет при полном рабочем диапазоне датчика от —100°С до +1000°С достигнуть погрешности 1 °C.

Алгоритм линеаризации характеристик первичных датчиков, реализованный в виде программы микропроцессорной обработки, позволил снизить стоимость за счёт рационального выбора элементов и узлов устройства.

Рассчитаны коэффициенты уравнений аппроксимации функций, корректирующих нелинейность градуировочных характеристик датчиков типа ТСП-50, ТСП-100.

Применение предложенных технических решений способствовало внедрению в серийное производство одноканальных и многоканальных измерителейрегуляторов температуры типа ТРМ-1, ТРМ-5, ТРМ-34 и других, выпускаемых производственным объединением «ОВЕН» и научно-производственным комплексом «Технологический Центр» .

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы получены автором на кафедре «Вычислительная техника» Московского государственного института электронной техники (Технического Университета) и в процессе работы на НПО «ОВЕН». Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами и сертификатами качества. Разработана серия измерителей температуры типа УКТ-31Ч. Предложенная методика применялась при разработке устройств обработки сигналов интегральных датчиков давления, выпускаемых НТК «ТЦ» МИЭТ.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями МУИТ, сертификатами качества на соответствующие приборы (см. Каталог 1997 года ПО «ОВЕН»). Автором в составе коллектива исследователей получен патент РФ № 2 112 224 на изобретение «Терморегулятор микропроцессорный» по заявке № 96 113 330 от 26.06.96 [2].

На защиту выносятся:

• новая методика проектирования устройств измерения температуры на основе комплексного подхода к проектированию;

• универсальная базовая структура микропроцессорного устройства измерения температуры;

• алгоритм цифровой обработки сигнала датчика, исключающий влияние нестабильности элементов измерительного канала;

• алгоритм обработки градуировочных характеристик термодатчиков, позволяющий подключать к устройству различные типы датчиков и синтезировать модификации УИТ.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй международной конференции «Новые информационные технологии» в г. Минск, 1996 г.- всероссийской научно-технической конференции «Электроника и информатика» г. Зеленоград, 1995, 1996, 1997 гг.- международной научно-технической конференции «Автоматизация сельскохозяйственного производства» в г. Углич, 1997 г.- научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», г. Гурзуф, 1997 г.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 3 статьях и 7 научных докладах на российских и международных конференциях.

Структура диссертации. Диссертация изложена на 144 страницах основного текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, 7 приложений и списка литературы из 86 наименований, содержит 46 рисунков.

Выводы.

1. Исследованы точностные характеристики устройства измерения температуры, разрабатываемого по методике, описанной в главе 2. Показано, что систематическая погрешность измерения определяется погрешностями используемого датчика Кт и опорного сопротивления Яо в схеме включения: = 8/?/ + 5/?0.

2. Проведён теоретический анализ погрешности УИТ, показавший, что суммарная погрешность приборов соответствующих классов не превышает 0,2% и 0,5%.

3. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, подтвердившая теоретические исследования.

4. Выявлено, что дополнительная абсолютная погрешность, связанная с характеристиками датчика может достигать 4 °C.

5. Проведено моделирование алгоритма управления.

6. Экспериментальные исследования эффективности метода линеаризации показали, что аппроксимация рациональными дробями выгодна при диапазоне измерения в 1000 градусов, хотя и требует в 1.75 больше времени на выполнение. Кусочно-линейная аппроксимация при диапазоне измерения в 400 градусов требует выполнения 4 шагов алгоритма, при 100 градусов — 5 шагов.

Заключение

.

В диссертационной работе решен комплекс взаимосвязанных вопросов, направленных на разработку универсальной методики проектирования микропроцессорных устройств измерения температуры на базе термосопротивлений. В ходе выполнения исследований получены следующие результаты:

1. Разработана системная методика проектирования микропроцессорных устройств измерения температуры на основе комплексного подхода к проектированию. Методика включает в себя:

• разработку базовой структурной схемы, явившейся основой для устройств измерения и стабилизации, выпускаемых фирмой ОВЕН, НТК ИТЦ" МИЭТ;

• универсальный алгоритм, позволяющий путём изменения программы создавать новые модификации устройств;

• одновременное решение взаимосвязанных вопросов выбора группы используемых датчиков, синтез схемы включения для них, синтез программы микроконтроллера.

2. Разработан алгоритм цифровой обработки сигнала датчика, осуществляющий линеаризацию возможных вариантов схем включения датчиков. Алгоритм также позволяет исключить ряд факторов нестабильности измерительного канала путём выполнения операции деления над результатами измерений.

3. На основе анализа существующих микроконтроллеров Intel, Zilog, Microchip алгоритм был развит с учётом их специфики.

4. Обоснован алгоритм линеаризации характеристики МУИТ и предложено 2 алгоритма реализации линеаризующей функции.

5. Разработана программа микроконтроллера, реализующая:

• преобразование измеряемой величины в код;

• вычисление значения температуры;

• воспроизведение корректирующей функции и линеаризацию НСХ датчика;

• интерфейс платы индикации;

• интерфейс электрически программируемого ПЗУ, позволяющего сохранять рабочие параметры устройства при отключении питания;

• управление и стабилизацию температуры объекта по предварительно заданному закону.

6. Проведено исследование и рациональный выбор системы элементов, разработаны схемы интерфейса с ЭВМ.

7. Проведён теоретический анализ погрешности МУИТ, показавший, что суммарная погрешность приборов соответствующих классов не превышает 0,2% и 0,5%.

8. Разработана методика проведения экспериментальных исследований, подтвердившая теоретические исследования, в результате использования которой прибор сертифицирован, разработанная структура легла в основу проектирования приборов и устройств фирмы «ОВЕН» и НТК «ТЦ» .

9. МГП «ОВЕН» при участии автора наладило серийный выпуск микропроцессорных устройств измерения температуры. При разработке модификаций этих приборов использовалась методика, изложенная в диссертации.

10. Структура прибора и алгоритм защищены патентом.

11. Основные научные и практические результаты диссертационной работы опубликованы в 3 статьях и 7 научных докладах на российских и международных конференциях.