CC BY
35
ПРИНЦИПЫ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ
Д.Ю. БАШМАКОВ, аспирант кафедры процессов и аппаратов МГУЛа
Стремительные темпы развития науки и техники и ограничение возможности человека в восприятии и переработке больших объемов информации привели к разработке и созданию измерительных информационных систем (ИИС).
Внедрение ИИС в практику лабораторных исследований обусловлено следующими достоинствами:
высокая точность измерений; высокая чувствительность; высокое быстродействие; полное исключение субъективной погрешности отсчета и значительное снижение числа промахов при фиксации отсчета;
повышение производительности операторов при лабораторных и цеховых измерениях и отсутствие необходимости в высококвалифицированных операторах; возможность автоматизации процесса измерений.
В ходе проведения лабораторного исследования длительной прочности композиционного материала на кафедре процессов и аппаратов МГУЛеса образец помещается в климатическую камеру, обеспечивающую испытание устойчивости материала в условиях действия постоянного либо переменного климата. Климатическая камера представляет собой устройство, состоящее из объема испытания и ряда оборудования, необходимого для создания, измерения и регулирования температуры и влажности воздуха.
В ходе лабораторного исследования длительной прочности композиционного материала необходимо контролировать следующие параметры:
- температуру воздуха в камере;
- влажность воздуха в камере;
- распределение температуры внутри образца;
- деформацию размеров образца;
- текущую влажность образца.
Применение ИИС позволит собирать
информацию о контролируемых параметрах и обрабатывать ее.
Информация о значениях измеряемых величин и результаты их обработки могут использоваться как для непосредственного управления процессом исследования, так и накапливаться с целью последующего анализа.
Анализ накопленных значений позволяет получить временные зависимости измеряемых величин, которые могут быть выведены на дисплей или печатающее устройство ИИС в виде графиков или таблиц.
Разработанная на кафедре процессов и аппаратов д/о производств МГУЛа физико-математическая модель процесса тепломас-сопереноса в композиционных материалах на основе древесины [1] может быть реализована при наличии замыкающих связей по основным физическим параметрам исследуемого материала. Преимущества компьютерного исследования длительной прочности композиционных материалов с помощью математической модели тепломассопереноса, были подробно описаны в статье [2].
Разработка информационно-измерительной системы для нахождения замыкающих связей по основным физическим параметрам композиционных материалах на основе древесины в условиях небольшой научно-исследовательской лаборатории является своевременной и актуальной задачей.
Разработка такой измерительной системы проводится в лаборатории тепломассообменных процессов на кафедре процессов и аппаратов МГУЛа, для решения задачи будет применено следующее оборудование:
Рис. 1. Климатическая камера
Климатическая камера «Легенда» (рис. 1), полезным объемом 250 л, обеспечивающая изменение климата в широком диапазоне (рис. 2).
ШМ-РС - совместимый персональный компьютер класса Репйит.
Аналого-цифровой преобразователь, имеющий 16 дифференциальных аналоговых каналов.
В ходе разработки системы встала задача выбора устройств, воспринимающих информацию о состоянии объекта исследования (датчиков температуры, влажности, деформации) и задача их адекватной стыковки с персональным компьютером.
Рассмотрим структурную схему разработанной информационно-измерительной системы на базе ЭВМ (рис. 3), которая может использоваться для изучения процессов тепломассопереноса в композиционных материалах на основе древесины в условиях научно-технической лаборатории.
В составе ИИС будут установлены следующие датчики:
- датчик температуры в камере;
е>с
Рис. 2. График диапазона климата:
Ф - относительная влажность воздуха, %; t - температура, °С
датчик относительной влажности воздуха, находящегося в рабочем объеме климатической камеры; датчики температуры, позволяющие контролировать распределение полей температур по толщине испытываемого образца;
- датчик влажности образца;
тензометрические датчики, регистрирующие температурную и влажностную деформацию образца.
Еще несколько лет назад для превращения ПК в измерительный прибор требовалась установка нескольких громоздких и дорогостоящих плат. Сегодня, в связи с совершенствованием технических характеристик и падением цен на современные микропроцессорные компоненты ИИС, можно достичь объективных результатов измерения, установив в компьютер одну недорогую плату аналого-цифрового преобразования (рис. 4) или подключив модуль аналого-цифрового преобразования к стандартному порту компьютера (рис. 5).
Рис. 3. Структурная схема измерительной информационной системы.
Основными частями схемы являются:
1 - аналоговые датчики, снимающие первичную информацию с объекта исследования;
2 - входной мультиплексор - электронное устройство, с помощью которого осуществляется опрос входных данных;
3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговый сигнал в цифровой, который представляется в прямом двоичном или двоично-десятичном коде, обеспечивая возможность последовательного ввода цифрового сигнала в ЭВМ;
4- ЭВМ осуществляет обработку измерительной информации, проводит анализ поступивших сигналов;
5 - информация, полученная из входных сигналов, либо вычисленная по этим сигналам может быть выведена в графическом виде на дисплей или принтер, а также может быть сохранена в памяти ЭВМ, для последующей обработки
В ходе разработки информационноизмерительной системы была разработана схема электронного термометра. На рис. 6 приведена разработанная структурная схема электронного термометра, объединенного с персональным компьютером.
Датчик измерения температуры вырабатывает аналоговый сигнал, который усиливается и подается на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), в котором сигнал преобразуется в цифровую форму. Цифровой сигнал с выхода АЦП подается на вход порта ввода/вывода компьютера, затем обрабатывается процессором и полученное в результате обработки значение температуры выводится на экран монитора и записывается в память компьютера для последующего анализа и обработки.
В настоящее время для измерения температуры часто применяют следующие датчики температур:
платиновые термометры сопротивления; термопары;
- терморезисторы.
Платиновая проволока обладает низкой чувствительностью и нелинейностью параметров, и поэтому ее использование в ИИС требует применения нескольких операционных усилителей.
Трудности в применении термопар, связаны с тем, что их компенсатор «холодного спая» сложен по конструкции и требует очень серьезной настройки.
Терморезисторы обладают хорошей чувствительностью к изменениям температуры, но их выходные характеристики нелинейны, а поэтому возникают серьезные сложности с их калибровкой.
Относительно недавно в схемах измерения температуры стали применяться термометры, основанные на свойствах р-п-перехода.
Рис. 4. Плата аналого-цифрового преобразования Рис. 5. Модуль аналого-цифрового преобразования
Рис. 6. Структурная схема электронного термометра, объединенного с персональным компьютером
В разработанной мной на кафедре процессов и аппаратов МГУЛеса схеме датчика температур используется эффект зависимости р-п-перехода от темцературы. В ее составе используется кремниевый датчик температур, работающий в диапазоне от - 40 °С до +100 °С, и обладающей линейной выходной характеристикой. Благодаря широкому рабочему диапазону датчик хорошо подходит для контроля и регистрации температуры воздуха в применяемой на кафедре климатической камере «Легенда», которая обеспечивает изменение температуры внутри камеры от - 20 °С до + 50 °С .
В разработанной схеме датчика применена микросхема ЬМ 335 (варианты ЬМ 135 и ЬМ 235), имеющая корпус транзисторного типа. Микросхема ЬМ 335 может
рассматриваться как стабилитрон с температурным коэффициентом напряжения (ТКН) равным 10 мВ/°К. Рабочий диапазон температур ЬМ 335 лежит в диапазоне от -40 °С до +100 °С (нулевое выходное напряжение соответствует температуре абсолютного нуля 0°К (-273,15 °С)).
По характеристике, приведенной на рис. 7, видно, что выходное напряжение меняется от 2,33 В при -40 °С (233 °К) до 3,73 В при +100 °С (373 °К). Эти параметры хорошо согласуются с рабочим диапазоном аналого-цифрового преобразователя, применяемого в ИИС.
Для калибровки датчика используется подстроенный резистор. Принципиальная схема датчика приведена на рис. 8.
(273 “Ю (373 Рис. 7. Температурная характеристика микросхемы ЬМ 335
3,9 к о
(от в до 12 В)
Ш
335
ADJ
наІмш
10 ко (о)
ЮмР^К
АОС
0-5 В
(от-273 да+227 °С)
0 °С = 273 °К = 2,73 В
Рис. 8. Принципиальная схема датчика температуры
Рис. 9. Топологическая схема печатной платы датчика температуры
Для обеспечения работы датчика используется напряжение питания от 9 до 12В.
Печатная плата датчика имеет размеры 38 х 25 мм. Топологическая схема печатной платы приведена на рис. 9.
После калибровки (при температуре +25 °С) точность получаемых результатов в зависимости от группы применяемой микросхемы оказывается лучше, чем ± (1-2) °С; Наилучшими является микросхемы группы »А».
Соединительная колодка используется для подключения датчика температуры к АЦП и подачи питающего напряжения.
С помощью трех проводов длиной до одного метра можно вынести датчик на микросхеме 1М335 на безопасное расстояние, чтобы защитить остальные устройства изме-
П
ЦМ335
,0 л. .а ЛГ' 'О. і .1
© 3,9 КСН
© - У
Рис. 10. Монтажная схема датчика температуры
рительного комплекса от воздействия повышенной температуры и влажности.
Калибровку датчика следует производить в составе ИИС при температуре +25 °С, при этом выходное напряжение нужно установить на величину 2,98 В.
Измеряемые в процессе лабораторных исследований значения температур заносятся в память компьютера для последующего анализа и обработки.
Литература
1. Обливин А.Н., Воскресенский А.К., Семенов Ю.П. Тепло- и массоперенос в производстве древесностружечных плит. - М.: Лесная промышленность, 1978. - 192. с.
2. Башмаков Д. Ю. Исследование длительной прочности композиционных материалов на древесных наполнителях: Сборник научных статей докторантов и аспирантов МГУЛеса. - Вып. 309 (3). -2001.
