CC BY
37
УДК 621.317. 3
АВТОМАТИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР
Вареник Ю.А., Карпанин О.В., Метальников А.М., Соловьев В.А.
ГОУ ВПО Пензенский государственный университет, e-mail: fenr@pnzgu.ru,
440026, Пенза, Россия, ул. Красная, 40
Контроль температурных зависимостей характеристик и параметров чувствительных элементов датчиков и твердотельных структур различного рода преобразователей физических величин представляет собой сложную техническую задачу, связанную с проведением длительных измерений и обработкой большого объема измерительной информации. Автоматизация измерений и обработки результатов с использованием возможностей персонального компьютера и современных микропроцессорных средств позволяет значительно облегчить решение данной задачи.
На кафедре нано- и микроэлектроники Пензенского государственного университета разработана компьютерная система для исследования температурных зависимостей параметров твердотельных структур, включающая регулируемый источник мощности, термокамеру, контроллер и измеритель RLC. Источник мощности, термокамера, контроллер и программные процедуры, реализующие адаптивный алгоритм управления температурой исследуемой структуры, образуют подсистему нагрева. Подключение контроллера к компьютеру осуществляется через интерфейс USB. Контроллер выполнен на базе микропроцессора ADUC845 (Analog Devices), осуществляющего обмен информацией с компьютером через интерфейсный микроконтроллер FT232RL (FTDI), управление источником мощности и измерение сигнала преобразователя датчика температуры. В качестве датчика температуры используется датчик HEL-707-T (Honeywell) на температурный диапазон -75 -+540 оС.
Нагрев исследуемых образцов в термокамере осуществляется на предметном металлическом столике с нихромовым нагревательным элементом и встроенным датчиком температуры. Максимальная мощность источника, управляющего нагревательным элементом 50 Вт. Образцы должны иметь плоскую форму с максимальным размером по плоскости 20 мм и высотой не более 3 мм. Максимальная температура нагрева образцов 500 оС.
При измерениях параметров образца на постоянном токе, инфранизких частотах или дискретном наборе частот при исследовании частотной характеристики требуется стабилизация его температуры, поскольку измерения происходят относительно длительное время. Для стабилизации температуры используется адаптивный алгоритм управления с эталонной моделью [1] Используется линейная модель динамической системы второго порядка. На рис. 1 представлена временная характеристика нагрева образца в термокаме-
1
ре до 250 оС. Видно, что на участке стабилизации температура поддерживается на уровне ±1 оС.
..... эталон
-----мощность нагревателя
Рисунок 1 - Траектория нагрева образца от комнатной температуры до 250оС
Эталонная траектория нагрева задается выражением:
Тэ [n + 2] = (2 - К 2 э/ К1э )ГЭ [n +1]-(1 - К 2 э/ К1э +1/К1Э )Тэ [n] + 1/ К1Э T3 [n],
где Тэ - температура нагревателя, Т3 - заданная температура, n - дискретное время, К1э - квадрат характерного времени осцилляции эталона в единицах дискретного времени, К2э - характерное время релаксации эталона в единицах дискретного времени.
Закон регулирования имеет вид:
P[n] = 1/К3(К1(Тэ [n + 2] - 2Тэ [n +1] + Тэ [n])+ К2(T-j [n +1] - Тэ [n]) + Тэ [n] - Тк ),
где P - мощность нагревателя, Тк - комнатная температура, соответствующая нулевой мощности, К1 - квадрат характерного времени осцилляции нагревателя, К2 - характерное время релаксации нагревателя, КЗ - статический ко-
2
эффициент преобразования нагревателя. Начальные значения параметров K1, K2, K3 объекта регулирования оценивались экспериментально по реакции нагревателя на ступенчатое изменение мощности.
Алгоритм адаптации заключается в постоянной коррекции значений коэффициентов K1, K2, K3 на основе сравнения текущей температуры нагревателя и ее производных с эталоном.
1. Деревицкий Д.П., Фрадков А.Л. Прикладная теория дискретных адаптивных систем управления. М.: Наука, 1981, 216с.
3
