CC BY
15
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Рис. 7. Продолжение рис. 6
шшт
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Аниськина Н. Н. Подготовка к сертификации интегрированной системы менеджмента в территориальной генерирующей компании // ММТТ-23 : сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф. / Балакирева В. С. - Саратов : изд-во Сарат. гос. техн. института. - 2010. - : Т 11. - С. 188-192.
2. Голубцова Т. В., Замыслова Г. П., Асламова В. С. Показатели качества процесса обучения в организации дополнительного профессионального образования // ММТТ-23 : сб. тр. XXIII Междунар. науч. конф.- Саратов : изд-во Сарат. гос. техн. ин-та. - 2010. - Т. 12. -С.170-174.
3. Темникова Е. А., Голубцова Т. В., Асламова В. С. Разработка программного обеспечения для автоматизации процесса обучения слушателей учебного центра «Профиль»: сб. науч. тр. молодых ученых и студентов. - Ангарск : АГТА. -2010.- С. 78-83.
УДК 621.3.083 Пудалов Алексей Дмитриевич,
канд. техн. наук, доцент кафедры ПЭ и ИИТ, Ангарская государственная техническая академия,
e-mail: [email protected]
УНИФИЦИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СХЕМА ПРИБОРОВ АНАЛИТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
A.D. Poudalov
UNITIZED METERING CIRCUIT OF INSTRUMENTS OF ANALYTICAL CONTROL
Аннотация. В статье рассматриваются проблемы унификации схем приборов для аналитических измерений. Приведена структурная схема унифицированного прибора, предназначенного для измерений в широких диапазонах концентраций влажности газов и жидкостей.
Ключевые слова: прибор, аналитические измерения, унификация, измерения влажности, электронная схема.
Abstract. In the article problems of unification of schemes of devices for analytical measurements are considered. The block diagram of the unified device intended for measurements in wide ranges of concentration of humidity of gases and liquids is resulted.
Keywords: instrument, analytical measurements, unifications, humidity measurements, electronic circuit.
Аналитические измерения в промышленности и на производстве занимают очень важное место в технологических, теплоэнергетических и химических процессах и позволяют обеспечивать высокий научно-технический уровень готовой продукции. Современные высокотехнологичные производства в процессе совершенствования своих технологий постоянно нуждаются в высокоточных и быстродействующих измерительных приборах.
Как правило, современные разработки в области аналитического приборостроения идут по пути создания измерительных схем приборов в уникальном виде. Под уникальностью понимается, что измерительное устройство выполняет только лишь ту конкретную измерительную функцию, для которой оно создавалось. В связи с этим, каждый прибор содержит электронную схему, которая
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
ш
решает конкретную измерительную задачу. В случае разработки нового измерительного устройства, например, с другими метрологическими и техническими характеристиками электронная схема также разрабатывается заново, что приводит к удорожанию разработки и производства прибора.
К электронной схеме приборов относятся: блоки питания, вторичные преобразователи сигналов с датчиков, системы индикации, схемы обработки результатов измерений и т. д. Зачастую, даже если принципы измерений, положенные в основу различных измерительных устройств, одинаковы, электронная схема независимо от этого разрабатывается отдельно для каждого устройства.
Например, отечественные и зарубежные производители выпускают ряд аналитических приборов для измерения различных физических величин:
1. ОАО «Ангарское ОКБА» изготавливает гигрометры «Байкал 5Ц», «Байкал-2ВМ», «Бар-гузин-2М», «Байкал RG»; влагомеры «ВТМ-2» и «ВТМ-МК»; газоанализатор «АДГ-210» и др. [1, 2].
2. ИКО «Зеленоград-Информ-Прибор» предлагает газоанализаторы ОКА-92М, Хоббит-Т; термометры ТК-5.11, ТК-5.01П; пирометры С-110, С-700.1 и др. [3].
3. Компании Michell Instruments lab UK, ART-VIK, VAISALA выпускают приборы «Mois-ture Chek 2000», «Dewmet», «S4000 Integrale» и др. [4, 5].
Все перечисленные приборы имеют в своем составе уникальные электронные схемы, позволяющие производить обработку только тех сигналов, для измерения которых они и создавались.
Таким образом, важной задачей, которая на сегодняшний день подлежит решению, является унификация измерительных схем приборов, основанных как на одном, так и на разных методах измерения, положенных в основу работы этих приборов (кулонометрические, твердоэлектролитные, сорбционные, диэлькометрические и др.).
Унифицированная измерительная схема должна осуществлять обработку сигналов, поступающих от первичных преобразователей, и представлять измерительную информацию в требуемом для потребителя виде, т. е. отображаться на экране прибора в единицах измеряемой величины. Схема должна быть программно управляемой и иметь возможность работы в составе АСУТП.
Поставленная задача может быть успешно решена путем использования микропроцессорных систем на основе одноплатного компьютера.
В настоящее время такие компьютеры разработаны и выпускаются в достаточно большом ассортименте многими отечественными и зарубежными фирмами [6]. Эти компьютеры имеют сравнительно небольшие размеры (90*96 мм) и сравнительно невысокую стоимость (1,5...5 тыс. руб.) и обладают большими возможностями для обработки сигналов датчиков:
- объем оперативной памяти свыше 256 Мб;
- поддержка стандартных интерфейсов RS232, RS485, USB 2.0, Ethernet LAN, WLAN;
- возможность подключения жестких дисков;
- высокое быстродействие процессора до 2 ГГц;
- широкий диапазон рабочих температур от -40 °С до +85 °С;
- разъем для подключения панельной индикации;
- низкая потребляемая мощность;
- совместимость с персональными компьютерами, имеющими стандартное программное обеспечение.
Стоящая перед автором статьи задача разработки унифицированной измерительной системы решена применительно к её внедрению в разрабатываемых измерителях влажности газов и органических жидкостей, основанных на сорбционно-частотном методе (СЧМ) [7, 8]. Суть его заключается в определении влажности вещества в соответствии с изменением частоты кварцевого пьезочув-ствительного элемента, на который нанесена вла-гопоглощающая пленка - сорбент. В зависимости от измеряемой влажности (микро- или макроконцентрации) применяются различные сорбенты. Процессы сорбции-десорбции приводят к изменению присоединенной массы и соответственно частоты колебаний пьезокварцевого чувствительного элемента.
Использование СЧМ позволяет работать измерительной системе частотным видом измеряемого сигнала. В этом случае требуется обработка частотного аналогового сигнала микропроцессорной системой. Данная задача успешно решена следующим образом: на вход измерительного прибора подается не непосредственно сигнал с частотой, пропорциональной измеряемой величине, а разностная частота между образцовой (заранее известной и с неизменяющимися параметрами) и частотой с датчика. Еще одним преимуществом подачи разностного сигнала является исключение влияния температуры окружающей среды на измеряемый сигнал, т. к. температура в одинаковой степени будет воздействовать на опорный резонатор и сам чувствительный элемент.
ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения
Структурная схема предлагаемого унифицированного измерительного прибора представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема унифицированного измерительного прибора
При разработке унифицированного измерительного прибора возникает вопрос об основных принципах его функционирования, позволяющих говорить об унификации. В данном случае речь идет о решении задачи архитектурного устройства такой измерительной системы.
Одним из направлений решения поставленной задачи может быть использование в измерительном приборе нескольких каналов, по которым подаются нормированные сигналы с датчиков. С помощью блока управления задается тип подключаемого датчика, и вычислительная часть системы обрабатывает поступающую измерительную информацию в соответствии с заложенной программой. Наличие нескольких измерительных каналов необходимо в случае, если требуется произвести одновременно несколько измерений с разных датчиков.
Второй путь решения задачи архитектурного устройства представляется возможным при использовании так называемой расширяемой системы. Расширение достигается путем установки в измерительный прибор в специальные разъемы дополнительных плат, каждая из которых работает только со своим датчиком. Это позволит существенно снизить стоимость производства прибора и упростит комплектование устройства.
Функциональная схема разработанного унифицированного измерительного прибора, имеющего несколько каналов для обработки сигналов с датчиков, представлена на рис. 2.
Основным элементом представленной схемы является панельный компьютер. Помимо задач сбора информации с датчиков, осуществления
Панельный компьютер
0) 5 а.
с о ^ н Р го 2 с;
Т 1-Ц_ -I/ С С § =
1— О
ТИП: УОХ-064-ТБ
V
УУУУ
X сч т к
СТ « 00
* 1Т
А
т к
Т
& т * со з
т
П 0! О С
-о .с т [2
- 2
ср <я < I- ст .. Р о С
> СО ^
ш
I >
пз ^
с со
л 1 ^ <
>
4 Го ;=
Питание
Питание
Сигнал АР
Общий
пз
ё ^ с ш л
^ ся с
Датчик
Плата генератора
ПСЧЭ
Термостат
I
Плата терморегулятора
Рис. 2. Функциональная схема унифицированного измерительного прибора
Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство
ш
различных вычислении и представления результатов измерений он также выполняет функции управления работой всего прибора (включение и выключение устройства, переключение каналов измерения, регулировка яркости индикации и т. п.).
Через устройство ввода-вывода осуществляется передача измеряемых сигналов от датчиков в панельный компьютер, а также подача питающего напряжения на сами датчики.
Модули питания необходимы для подачи требуемых токов и напряжений для всей схемы прибора.
Так как представленный в статье прибор основан на СЧМ, то на рис. 2 показан только частотный вид сигнала с датчика.
Основные технические и метрологические характеристики разработанного прибора, основанного на СЧМ:
диапазон измерений влажности газов и жидкостей от 0,5 до 1 000 млн"1; - основная относительная погрешность не более 5 %.
Предлагаемый в данной статье унифицированный измерительный прибор позволяет обрабатывать не только частотные, но и любые другие сигналы с различных датчиков. Единственное требование к таким сигналам - это их нормированные значения, то есть измерительные сигналы должны лежать в любом из следующих диапазонов: 0...5 мА; 0...20 мА; 4...20 мА; 0...10 мВ; 0,01.. .1 000 кГц.
К основным достоинствам разработанного прибора можно отнести: простоту конструкции;
расширение измерительных возможностей за счет установки дополнительных модулей; микропроцессорное управление; возможность совершенствования измерительных функций за счет программного управления;
- массогабаритные показатели;
- универсальность в отношении возможности работы в лабораторных и промышленных условиях;
- степень автоматизации процесса измерений;
- возможность работы в составе АСУТП.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. ОАО Ангарское ОКБА. [Электронный ресурс] -URL : http://www.okba.ru. (дата обращения 10.05.2011).
2. ОАО Ангарское ОКБА. Гигрометр «Байкал -RG» [Электронный ресурс]. - URL: http://www.baikal-rg.ru/. (дата обращения 10.05.2011).
3. ИКО «Зеленоград-Информ-Прибор» [Электронный ресурс]. - URL : http://www.ruspribor.ru/index.html. (дата обращения 10.05.2011).
4. Vaisala's DM500 - Dewpoint Reference Standard with out a Mirror [Электронный ресурс]. -URL : http://www.vaisala.com. (дата обращения 10.05.2011).
5. Компания «Артвик» [Электронный ресурс]. -URL : http://www.artvik.ru. (дата обращения 10.05.2011).
6. Компания MicroMax Systems. [Электронный ресурс]. - URL : http://www.micromax.ru/index.shtml. (дата обращения 10.05.2011).
7. Ivashchenko V. E., Mazur V. G., Tomilin M. A. Application of Sorption-Frequency Method in Comparison with Other Methods for Measurement of Humidity Nanoconcentration in Gases and Liquids // IEEE 2nd Russia School and Seminar MNST. - 2010. - Novosibirsk. - P. 45-47.
8. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1989. - 272 с. : ил.
