CC BY
28
УДК 681.518.5 Ю. С. Чистов
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ИЗМЕРЕНИЮ ТЕМПЕРАТУР В ТОНКИХ
ЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ МАТЕРИАЛАХ ПРИ ФАЗОВЫХ И ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ
Ключевые слова: термоэлектропреобразователи, автоматизация эксперимента, фазовые и химические превращения, градиент давления, молярный перенос.
Проведён анализ технических характеристик аналого-цифровых преобразователей фирм-производителей. Обоснован выбор конструкции и условий теплового контакта микротермопар с поверхностью материала. Разработано специальное программное обеспечение для преобразования термо-ЭДС с датчиков в температуру. Экспериментально доказан механизм молярного переноса жидкости и пара под действием градиента давления.
Keywords:termoelektro converters, automation of the experiment, phase and chemical transformations, the pressure gradient, the molar transfer.
The analysis of the technical characteristics of the analog-to-digital converters manufacturers. The choice and design conditions microthermocouples thermal contact with the surface material. Developed by a special software to convert the thermal EMF with temperature sensors. Experimentally proven mechanism molar transfer liquid and the vapor pressure gradient.
Введение
Исследование физико-химических превращений в тонких капиллярно-пористых материалах при их интенсивном нагреве, а также оценка теплозащитных свойств текстильных материалов одежды проводятся с применением автоматизированных систем температуры [1, 2].
Известно множество фирм-изготовителей аналого-цифровых преобразователей (АЦП) отличающиеся техническими характеристиками и элементной базой (импортной или отечественной).
На основании анализа технических характеристик АЦП различных фирм и требование чувствительности, точности и инерционности измерения нестационарных температур в том числе в тонких целлюлозных материалов (бумага, ткани). Обосновано выбором АЦП ООО «Л Кард». Описание технических характеристик и программного обеспечения представлены в пунктах 2.3.2 и 2.3.3.LTR-U-1-4 является одноместным портативным крейтом с интерфейсом USB 2.0 с источником питания.
Анализ технических характеристик
Точность. Существует несколько источников погрешности АЦП. Ошибки квантования и нелинейности присущи любому аналого-цифровому преобразованию. Кроме того, существуют апертурные ошибки, являющиеся следствием джиттера (англ. jitter) тактового генератора, которые проявляются при преобразовании сигнала в целом. Эти ошибки измеряются в МЗР единицах— младший значащий разряд.
Частота дискретизации.Аналоговый сигнал - непрерывная функция от времени, в АЦП он преобразуется в цифровую последовательность значений. Следовательно, из аналогового сигнала необходимо определить частоту выборки цифровых значений. Частота формирования цифровых значений, получила название частота дискретизации АЦП.
Непрерывно меняющийся сигнал подвергается оцифровке, то есть значения сигнала измеряются
через определенный интервал времени Т — период дискретизации, Исходный сигнал может быть точно восстановлен из дискретных во времени значений путём интерполяции. Точность восстановления ограничена ошибкой квантования. Однако в соответствии с теоремой Котельникова — Шеннона точное восстановление возможно, только если частота дискретизации выше, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала.
Поскольку реальные АЦП мгновенно произвести аналого-цифровое преобразованием могут, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным, по крайней мере, от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют временем преобразования). Эта задача решается путём использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения (УВХ). УВХ, как правило, хранит входное напряжение на конденсаторе, который соединён со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа (конденсатор заряжается до входного напряжения)происходит выборка входного сигнала, при размыкании — хранение. Многие АЦП, выполненные в виде интегральных микросхем, содержат встроенное УВХ.
Разрешение АЦП — минимальное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть преобразовано данным АЦП — связано с его разрядностью. В случае единичного измерения без учёта шумов разрешение напрямую определяется разрядностью АЦП.
Разрядность АЦП показывает количество дискретных значений, которые преобразователь способен выдать на выходе. В двоичных АЦП измеряется в битах, в троичных АЦП измеряется в тритах. Так, например, двоичный 8-разрядный АЦП может выдавать 256 дискретных значений (0...255), поскольку 2Л8 = 256, троичный 8-разрядный АЦП может выдать 6561 дискретное значение, поскольку 3Л8=6561.
Разрешение по напряжению равно разности напряжений, соответствующих максимальному и ми-
нимальному выходному коду, делённой на количество выходных дискретных значений. Пример:
Диапазон входных значений = от 0 до 10 вольт Разрядность двоичного АЦП 12 бит: 212 = 4096 уровней квантования
Разрешение двоичного АЦП по напряжению: (10-0)/4096 = 0,00244 вольт = 2,44 мВ
Разрядность троичного АЦП 12 трит: 312 = 531 441 уровней квантования
Разрешение троичного АЦП по напряжению: (10-0)/531441 = 0,0188 мВ = 18,8 мкВ
Аппаратная часть
LTR-U-1-4 является функционально-законченным гальваноизолированным устройством с интерфейсом USB 2.0 FullSpeed (максимальная скорость передачи данных 800 Кбайт/с). Оптимален для применения в прикладных задачах с небольшим числом контролируемых параметров или сигналов управления [3].
Высокая программно-аппаратная унификация компонентов модульной системы LTR позволяет опробовать правильность решения прикладной задачи на простых и дешевых вариантах исполнения с последующим максимально упрощенным переходом на более сложные многомодульные варианты системы LTR.
Рис. 1 - LTR-U-1 (внешний вид)
Передняя панель крейта LTR-U-1-4 (конструктивное название: панель LTR021-U-1) служит одновременно передней панелью крейта и модуля LTR, здесь располагается единственный разъём модуля LTR, соответствующий первому посадочному месту модуля LTR.
В крейтах LTR-U-1-4 использован пассивный способ охлаждения. Вентиляционные отверстия расположены снизу корпуса крейта, а также на передней и задней панели крейта.
На задней панели крейтов LTR-U-1-4 находится: разъём для подключения кабеля USB (кабель USB - в комплекте поставки крейта);
разъём синхронизации (кабельная часть разъёма синхронизации - в комплекте поставки крейта). Сигнал синхронизации SYNC INPUT транслируется непосредственно на вход прерывания ARM-контроллера крейта;
разъём внешнего питания =12-24V (адаптер от сети ~220 V, а также запасная кабельная часть разъёма питания - в комплекте поставки крейта). Индикатор "LED":
непрерывное или прерывистое красное свечение означает наличие соединения по интерфейсу USB со скоростью fullspeed;
погасший индикатор свидетельствует о том, что крейт выключен.
Таблица 1 - Технические характеристики
Тип конструкции Портативная
Максимальное количество устанавливаемых модулей ЫЯ 1
Питание крейта Внешнее, в комплекте сетевой адаптер
Напряжение питания крейта +12 В (не стабилизированное в диапазоне от +11 В до +24 В)
Максимальная потребляемая мощность 8 Вт
Габариты крейта (без выступающих частей разъемов) 135x41x189 мм
Внутренняя архитектура
Интерфейсы USB 2.0 FullSpeed
Максимальная скорость передачи данных 800 Кбайт/с (по USB 2.0 FullSpeed)
Опорный генератор крейта • Частота 60 МГц • Стабильность частоты ±50 ppm
Тип контроллера ARM-контроллер AT91SAM7S256
Объем ОЗУ 64 Кбайт
Возможность обновления прошивок АЯМ-контроллера Есть (выполняется пользователем самостоятельно в соответствии с общедоступными версиями обновлений, предоставленными L-Card)
Дополнительная возможность низкоуровневого программирования Не предоставляется пользователю
Тип ПЛИС CPLD типа EPM3128 (не требует загрузки, нет возможности пользовательского обновления)
Гальваноизоляциякрейта Изоляция между клеммой заземления крейта и контактами разъемов модулей 820 В (испытательное напряжение переменного тока синусоидальной формы, частотой 50 Гц и средним квадратическим значением 820 В в течение 1 мин).
Внешняя синхронизация
Количество входов синхронизации 1
Статические параметры входов синхронизации: • Уровень "0", не более 0,5 В • Уровень "1", не ме-нее2,4 В
У всех LTR модулей имеется гальваноразвязка входов-выходов модулей относительно корпуса и цепей питания крейта. Гальваноразвязка сделана с применением новейших элементов "цифровых изоляторов".
Модуль LTR (АЦП 14 бит 400 кГц, 16/32 коммутируемых каналов):
• Частота АЦП 400 кГц может быть гибко перераспределена между коммутируемыми каналами. Количество и порядок опроса каналов программно настраивается.
• Независимая программная настройка для каждого канала диапазона входных сигналов (±10 В, ±2,5 В, ±0,6 В, ±0, 15 В).
• Программируемый режим "проверка входных линий" позволяет обнаружить обрывы и короткие замыкания входных линий.
• Программируемый режимы запуска АЦП: внутренний, по фронту или по спаду внешнего сигнала.
Подключение сигналов
Назначение контактов разъёма LTR приведено на рис. 2. Здесь знаком "/" разделены альтернативные функции сигналов, которые задаются программной конфигурацией модуля (перед началом сбора данных).
В экспериментах одновременно подключалось до восьми термопар.
Программное обеспечение
Для работы с LTR-U-1-4 на компьютер установлен программный комплекс LGraph2.
Назначение программы - сбор, визуализация, регистрация и экспорт аналоговых сигналов, поданных на устройства сбора данных. Одновременно может использоваться несколько устройств, подключенных как непосредственно к компьютеру, так и через сеть по протоколу TCP/IP.
Основные возможности программы LGraph2:
• Программа LGraph2 может производить сбор данных единовременно от 100 различных устройств производства ООО «Л Кард». Для каждого устройства АЦП может обеспечиваться ввод данных до 16 каналов в режиме дифференциального подключения или до 32 каналов при подключении «с общей землей» в зависимости от характеристик устройства
• При использовании программ Ltrserver, программа LGraph2 дает возможность, находясь в одном месте, собирать данные с LTR-крейтов, находящихся в разных точках планеты, где возможно подключение к сети Интернет!
• Возможен просмотр входных сигналов; в режиме просмотра в любой момент можно включить запись - программа приступит к записи поступающих данных с ранее установленными параметрами сбора, не прерывая демонстрации графиков. Накопленные в режиме просмотра данные, могут быть после остановки сбора данных полностью сохранены.
• После запуска записи данных процесс можно в любой момент приостановить. Максимальное количество сегментов в файле - до 10000. Группу по-
следовательных сегментов в файле можно объединять в один сегмент. Также возможно удалить из файла любое количество отдельных сегментов.
Y14 I RU6-iREF-
Y13fHU5-
V12fRU4-
-I-
1 I
2 i 3<
t < 5i 6« 7 i S< 9« 10 i U < 12« 13« 1Л «
15 1
16 1 17«
ш<
19«
P
Корпус разъема электрически связен с корпусом крейта LTR и клеммой заземления крейта
X14JRU6+/REF+
. AGND и все входы-выходы модуля •■, гвльваноразвязамы от корпуса крейта и остальных, цепей '
„RESER^
_RESER^
DIO+
- термопара 1 • термопара 2
_ термопара 3 -(констипвн I медь)
Рис. 2 - Назначение контактов разъёма ЬТЯ
• Для запуска программы при старте (или перезагрузке) системы предусмотрена возможность запуска программы с требуемым набором параметров из командной строки.
• Графики вводимых сигналов отображаются в окнах программы - число окон выбирается пользователем от 1 до 8.
• При использовании устройств, обеспечивающих высокую частоту опроса входных каналов, запись на диск может приводить к пропускам данных - в этом случае целесообразно (а для Е20-10 во многих случаях просто необходимо) использовать запись данных не на диск, а в ОЗУ (см. Особенности ввода в ОЗУ) - при этом объем свободной оперативной памяти Вашего компьютера становится ключевым фактором.
• Программа позволяет тарировать шкалу У и отображаемые данные независимо для любого используемого канала с учетом измеряемой физической величины.
• Возможен поиск события в потоке записанных данных по одному из нескольких критериев.
• Возможно автоматическое формирование имен файлов при последовательных записях, причем структуру имени файлов можно легко конфигурировать, вводя в нее порядковый номер (автоинкремен-тирование) либо дату и/или время записи. При записи серий могут автоматически создаваться отдельные директории для каждой серии.
• Программа позволяет просматривать графики, анализировать спектр любого канала или строить амплитудные гистограммы ранее записанных сигналов.
• Процедура редактирования данных позволяет выделить блок и удалить его из файла, либо сохранить выделенный блок в отдельный файл.
• К программе возможно подключать плагины, выполняющие пользовательские функции регистрации или обработки данных.
• Процедура экспорта дает возможность сохранения всего файла данных или его части в текстовый файл с выбором экспортируемых каналов. Помимо этого, возможен вывод данных в двоичный файл с учетом всех калибровочных коэффициентов. При экспорте, либо записи файлов возможно автоматическое создание скриптов для импорта файлов данных в МАТЬАБ.
• Возможен экспорт графиков в графическом формате.
Специальное программное обеспечение
АЦП «л КАРТ» может работать с любым электротермическим преобразователем - термопарой, полупроводниковым термистором, термометром сопротивления. Однако, конструктивное исполнение датчика должно обеспечить тепловой контакт с образцом исследуемого материала, не искажать температурное поле, инерционность датчиков должна обеспечивать погрешность измерения температуры не более 3%.
Кроме того, термо-ЭДС термопары должна соответствовать ГОСТированным значениям температуры с погрешностью не более 0,01 °С. Реализация данного требования осуществлялась построением интерполяционного полинома седьмого порядка для двух диапазонов температур по ГОСТированным данным.
Полином аппроксимирующий зависимость температуры от ТЭДС для термопар типа ТМК [Медь/медь - никель (медь/константан)]:
Диапазон температур: от минус 60°С до 0°С
Диапазон ТЭДС: от минус 2,153 до 0 мВ 7
Полином: t = ^• Е
I =0
С0 = 0; С1 = 2,5949192 * 10; С2 = -2,1316967 * 10-1; С4 = 4,2527777 * 10-1;
С5 = 1,3304473 * 10-1; С6 = 2,0241446 * 10-2; С7 = 1,2668171 * 10-3.
Диапазон температур: от 0 °С до 400 °С
Диапазон ТЭДС: от 0 до 20,872 мВ 6
Полином: t = • Е
I=0
С0 = 0; С! = 2,592800 * 10; С2 = -7,602961 * 10-1; С3 = 4,637791 * 10-2;
С4 = -2,165394 * 10-3; С5 = 6,048144 * 10-5; С6 = -7,293422 * 10-7.
Примеры практического применения АЦП
В качестве примера практического применения АЦП измерения температуры выбран наиболее важный для жизнедеятельности человека целлюлозный материал - текстильная ткань из хлопковых и полиэфирных волокон.
Конструкция устройства для крепления материала соответствовала международным стандартам по определению показателей пожарной опасности материалов от воздействия открытого пламени теплового излучения. Образцы диаметром 40 мм. крепятся на расстоянии 5 мм от имитатора кожи в виде медного диска толщиной 1,6 мм.
Испытания проводились на установках термического анализатора влажности М8-70 и на коническом калориметре теплового излучения.
Такое комплексное использование известных инструментальных методов позволяет понять механизм и определить качественные и количественные характеристики термического разложения целлюлозных материалов.
Измерение температуры образцов проводилась как с тыльной, так и облучаемой поверхности путем совместного натяжения термопары и материалы на специальном теплоизолированном кольце Б 40 мм. Как видно из рис. 3-4, вначале происходит испарение свободной влаги, а затем связанной влаги, требующей более высокой температуры.
У
Время, сек.
Рис. 3 - Динамика изменения температуры влажного материала (60%) при воздействии теплового потока 12.5 кВт/м2 на анализаторе М8-70
- ко 1-
[
—г
-
-
Г -— - -----
Время, сен.
Рис. 4 - Динамика изменения температуры влажного материала (60%) при воздействии теплового потока 50 кВт/м2 на коническом калориметре
Важно отметить, что при интенсивном объемном нагреве внутри материала образуется градиент давления. Под действием этого давления происходит молекулярный перенос жидкости и пара к облучаемой и тыльной поверхности материала.
Полученные экспериментальные результаты имеют важной теоретическое и прикладное значе-
ние. В теоретическом аспекте можно утверждать, что в результате релаксации давления жидкая фаза и водяные пары перемещаются к облучаемой и тыльной поверхностям влажного материала. После удаления свободной влаги материал переходит в гидро-скопическое состояние и приоритет молярного переноса исчезает.
Во многих публикациях испарение свободной влаги при объемном нагреве влажного материала рассматривается в постановке Стефана, т.е. при теп-лопроводностном механизме переноса жидкой и газообразной фаз. Подвижная граница испарения в отличие от молекулярного переноса ассоциируется с достижением температуры свободной влаги.
В практическом аспекте полученные результаты могут быть учтены в технологии высокоинтенсивной контактной сушки, нагрева токами высокой частоты, сушки тепловым излучением.
Литература
1. Р.Ш.Еналеев, Ф.М.Гимранов, А.В.Каргин, Р.З.Хайруллин, Ю.С.Чистов, Вестник Казанского технологического университета,18, 12, С. 74-78 (2015).
2. Р.Ш.Еналеев, Э.Ш.Теляков, Ю.С.Чистов, В.С.Гасилов, Вестник Казанского технологического университета,17, 22, С. 116-119 (2014).
3. Крейтовая система ЬТЯ. Руководство - Л Кард, 2015.
4. ГОСТ Р 8.585-2001 «ГСИ. Термопары. Номинальные статические характеристики преобразования».
© Ю. С. Чистов - канд. техн. наук, асс. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, [email protected].
© Yu. S. Chistov - candidate of technical sciences assistant of the department of machinery and apparatus of chemical production, mechanical department KNRTU, [email protected].
