2 ТЕХНІЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ ВАРІАНТУ РЕАЛІЗАЦІЇ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ КОНЦЕНТРАЦІЇ ДИМОВИХ ГАЗІВ
В даному розділі визначимо оптимальний варіант структурної схеми інформаційно-вимірювальної системи концентрації димових газів. Для цього розглянемо два варіанти структурних схем та порівняємо їх між собою за шістьма критеріями оптимальності. В основі ІВС буде схема з найвищим коефіцієнтом оптимальності. При виборі оптимальної структурної схеми будемо враховувати наступні параметри: швидкодія, надійність, простоту реалізації, низьку собівартість, точність, а також відстань, на яку можлива передача даних. Врахувавши, що кількість вимірювальних каналів два, розглянемо детальніше варіанти реалізації системи.
Розглянемо першу структурну схему, яка приведена на рисунку 2.1:
Рисунок 2.1 – Перший варіант реалізації структурної схеми
Позначення на схемі: ПП – первиний вимірювальний перетворювач,
ВП – вториний вимірювальний перетворювач,
– аналогово цифровий перетворювач, I – інтерфейс, HG – засоби відображення інформації, MCU – мікроконтролер, БУТ – блок управління температурою. Принцип роботи даної схеми наступний: по двом каналам одночасно проводяться вимірювання вхідних сигналів. На виході цих каналів після вимірювання утворюються аналогові величини, які потім перетворюються в змінний електричний сигнал (наприклад напругу) за допомогою ПП та ВП.
Після чого уніфікований сигнал поступає на вхід АЦП, який здійснює його перетворення у цифровий код. Цифровий код поступає на мікроконтролер, який обробляє інформацію. Мікроконтролер здійснює керування всіма вузлами вимірювальної системи. Інтерфейс приймає та передає дані до зовнішніх пристроїв та систем.
Другий варіант реалізації системи вимірювання має наступний вигляд – рисунок 2.2.
Рисунок 2.2 – Другий варіант реалізації структурної схеми
Позначення на схемі: ПП – первиний вимірювальний перетворювач,
ВП – вториний вимірювальний перетворювач,
– аналогово цифровий перетворювач, I – інтерфейс, HG – засоби відображення інформації, MCU – мікроконтролер, БУТ – блок управління температурою.Принцип роботи даної схеми наступний: по двом каналам одночасно проводяться вимірювання вхідного сигналу. На виході цих каналів після вимірювання утворюються аналогові величини, які потім перетворюються в змінний електричний сигнал (наприклад напругу) за допомогою ПП та ВП.
Після чого уніфікований сигнал поступає на вхід АЦП, котрий знаходиться в корпусі мікроконтрорера, який здійснює його перетворення у цифровий код. Цифровий код поступає на мікроконтролер, який обробляє інформацію. Мікроконтролер здійснює керування всіма вузлами вимірювальної системи. Інтерфейс приймає та передає дані до зовнішніх пристроїв та систем.
У наведеній структурній схемі відмінно від попередньої відсутні АЦП, так як мікроконтролер має вбудований АЦП.
Головна перевага наведеної схеми це її швидкодії, та дешевизна так, як додаткові АЦП не використовуються.
Для того, щоб порівняти вище наведені структурні схеми проаналізуємо їх основні параметри за наступними кретеріальними співвідношеннями: швидкодія, точність, нескладність, собівартість, надійність, стандартність вузлів. Результати порівняння представлені у таблиці 2.1.
| Параметр | Схема №1 | Схема №2 | Ідеальна схема |
| Швидкодія | 0,5 | 1 | 1 |
| Точність вимірювання | 1 | 1 | 1 |
| Нескладність | 0,5 | 0,5 | 1 |
| Собівартість | 0,5 | 1 | 1 |
| Надійність | 1 | 1 | 1 |
| Стандартність вузлів | 0,5 | 0,5 | 1 |
| Σ  | 4 | 5 | 6 |
Визначимо ефективність кожної із систем, обчисливши узагальнений критерій якості, який знаходиться за наступною формулою:
(2.1)Узагальнений критерій якості першої схеми:
. (2.2)Узагальнений критерій якості другої схеми:
. (2.3)Висновок – узагальнений критерій якості другої структурної схеми більший ніж для першої структурної схеми. Тобто для побудови функціональної схеми ІВС, раціонально використовувати другий варіант реалізації, який буде наведений в додатку Б.
3 РОЗРОБКА ФУНКЦІОНАЛЬНОЇ СХЕМИ ІНФОРМАЦІЙНО-ВИМІРЮВАЛЬНОЇ СИСТЕМИ КОНЦЕНТРАЦІЇ ДИМОВИХ ГАЗІВ
Згідно з розрахунками, які були проведені у попередньому розділі бакалаврської дипломної роботи приймаємо, що наша система буде розроблятися за такою схемою як зображена на рисунку 2.2.
Система побудована за такою схемою матиме найкращі кількісні та якісні характеристики та задовольнятиме технічним вимогам поставленим в завданні. На основі обраної структурної схеми буде розроблена схема електрична функціональна, дана схема наведена в додатках.
До складу системи входять наступні структурні елементи:
- датчик концентрації димових газів;
- датчик температури;
- інтерфейс обміну даними RS-232;
- MCU VIPA200V;
- персональний комп’ютер;
- нагрівач;
- вентилятор.
Принцип роботи функціональної схеми полягає в наступному: газ потрапляє у робочу зону де через нього проходить ІЧ випромінювання. Далі ІЧ випромінювання потрапляє на піроелектричний фотоприймач. У фотоприймачі здійснюється перетворення потоку випромінювання в пропорційний йому по величині змінний електричний сигнал і відбувається його попереднє посилення. По другому вимірювальному каналу передається значення опору терморезистора. Після обробки значення температури, подаються сигнали на нагрівач і вентилятор у відповідності із значенням температури. Якщо вона менша допустимої (20 0С) то вмикається нагрівач. Якщо температура більша допустимої (20 0С) то включається вентилятор. Вимірювання відбувається в безперервному режимі.
На функціональній семі відображено її залежність із структурною. Так на схемі ПП1 складається з ІЧ випромінювача і фотоприймача.
Інфрачервоне випромінювання — оптичне випромінювання з довжиною хвилі більшою, ніж у видимого випромінювання, що відповідає довжині хвилі, більшій від приблизно 750нм. Інфрачервоні світлодіоди і фотодіоди використовуються в пультах дистанційного керування, системах автоматики, пожежних сповіщувачах, охоронних системах і т. д. Вони не відволікають увагу людини в силу своєї невидимості. Основні параметри ІЧ діодів такі: λ – робоча довжина хвилі, PEmin - мінімальна потужність випромінювання, IE - сила випромінювання, Iпр - постійний прямий струм, Iпр.імп - імпульсний прямий струм (При обумовленій тривалості імпульсу і шпаруватості - Q), Uпр - постійна пряме напруга, Uобр - постійна зворотна напруга. Вибраний нами ІЧ діод має наступні характеристики: λmin-max = 940-965 нм; РЕmin = 5.5 мВт; Uпр.max = 1.8 В; Uобр.max =2 В; Iпр.max =100 мА; Iпр.імп.max =600 мА; tі =50 мс; Q (скваженість)=36.
Фотоприймачі призначені для перетворення світлових сигналів в електричні. В напівпровідникових фотоприладах використовується внутрішній фотоефект, який полягає в тому, що при опроміненні електрони напівпровідникового кристала набирають додаткової енергії, що необхідна для вивільнення їх з ковалентних зв’язків. Тому в напівпровідниках з’являються додаткові носії електричного заряду, які збільшують електропровідність.
ПП2 складається з терморезистора. Терморезистори (термістори) являють собою напівпровідникові резистори з нелінійною вольт-амперною характеристикою, відмінною особливістю яких є різко виражена температурна залежність електричного опору в діапазоні від -100 до 200 °С. Найбільше поширення одержали терморезистори, опір яких зменшується при збільшенні температури, тобто, терморезистори з від’ємним температурним коефіцієнтом опору (ТКО). Разом з тим, існують резистори, опір яких збільшується з ростом температури. Їх зазвичай називають позисторами. Терморезистори застосовують у системах виміру та регулювання температури, протипожежної сигналізації, теплового контролю та захисту машин і механізмів, у схемах температурної компенсації елементів електричних кіл, зокрема, для термокомпенсації кварцових резонаторів і генераторів, для стабілізації режимів роботи транзисторних каскадів, для виміру потужності, вакууму, швидкостей руху рідин і газів і т. д. Терморезистори застосовують у системах виміру та регулювання температури, протипожежної сигналізації, теплового контролю та захисту машин і механізмів, у схемах температурної компенсації елементів електричних кіл, зокрема, для термокомпенсації кварцових резонаторів і генераторів, для стабілізації режимів роботи транзисторних каскадів, для виміру потужності, вакууму, швидкостей руху рідин і газів і т. д.
Також присутній так званий блок БУТ – блок управління температурою який складається із нагрівача і вентилятора. В якості нагрівача використано електричний паяльник. Паяльник - ручний інструмент, застосовуваний при лудінні і пайці для нагріву деталей, флюсу, розплавлення припою і внесення його в місце контакту спаювання деталей. Робоча частина паяльника, звичайно звана жалом, нагрівається полум'ям (наприклад від паяльної лампи) або електричним струмом. Використаний паяльник має такі характеристики:
1. напруга живлення - 220 – 230 В;
2. споживча потужність - 100 Вт;
3. максимальна температура нагріву - 500 0С.
Використаємо осьовий (аксіальний) вентилятор. Даний вид вентилятора містить лопаті, які переміщають повітря уздовж осі, навколо якої вони обертаються. У виду збіги напрямку руху всмоктуваного і нагнітається повітря, а також, в більшості випадків, простоти виготовлення, цей вид вентилятора є найбільш поширеним. Приклади застосування аксіальних вентиляторів: малі вентилятори охолодження електроніки (кулери), побутові вентилятори, вентилятори для турбовентиляторних авіаційних двигунів, шахтні вентилятори, вентилятори димовидалення, вентилятори аеродинамічних труб. А саме малий вентилятор охолодження з характеристиками: максимальний споживчий струм – 0,25 А; напруга живлення постійна – 12 В; максимальна швидкість обертання – 3600 об/хв.
В якості індикаторів використаєм світлодіоди. Світлодіод — напівпровідниковий пристрій, що випромінює некогерентне світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спектру до близької до ультрафіолету. Існують методи розширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру, рівномірно у всіх напрямках, звичайні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі. Світлодіоди були удосконалені до лазерних діодів, — які працюють на тому ж принципі, але можуть випромінювати напрямлене когерентне світло. Використаєм світлодіоди з такими технічними характеристиками:
потужність - 10 Вт;
кут світла -120 градусів;
світловий потік - 6500лм;
сила світла - від 4000к до 8000к;
напруга живлення - 10 - 12V;
максимальний струм споживання - до 1 A;
Функціональна схема інформаційної вимірювальної системи концентрації димового газу представлена на рисунку 3.4 і додатку В.
Рисунок 3.1 – Функціональна схема інформаційно-вимірювальної системи концентрації димового газу
4 МЕТРОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
4.1. Оцінка статичних метрологічних характеристик.
4.1.1. Рівняння перетворення вимірювального каналу.
Величина потоку випромінювання, що пройшов через вимірювальну кювету з газом, який аналізується, може бути визначена за законом Ламберта-Бера
, (4.1)де Iх – вихідний електричний сигнал (струм);
a – постійна;
b – постійна;
φ – масова концентрація компонента газової суміші.
Вигляд залежності, що відображає функцію (4.1) для постійної довжини оптичного тракту (l = const), представлений на рисунку 4.1.
Рисунок 4.1 - Графічне представлення рівняння перетворення
, (4.2)де
- значення напруги на виході датчика при заданому φх;
- значення коду після аналого-цифрового перетворення;
- опорна напруга;
- розрядність АЦП.В свою чергу Iх , зв’язано з
наступним співвідношенням
, (4.3) тоді
. (4.4)Підставивши рівняння (4.4) у рівняння (4.2) отримаємо рівняння вимірювального каналу за напругою
(4.5) Оптимізуємо рівняння (4.5)
(4.6)Графічна залежність вихідного коду Nx від концентрації φx представлено на рисунку 4.2.
Рисунок 4.2 - Графічне представлення рівняння вимірювального каналу
концентрації димових газів
4.1.2. Розклад функціональної залежності у ряд Тейлора та дослідження основних статичних характеристик.
Математичним апаратом дослідження статичних метрологічних характеристик є використання розкладу функції перетворення в ряд Тейлора.
Припустимо, що має місце засіб вимірювань, функція перетворення якого має вигляд:
(4.7)де y - вихідна величина засобу вимірювань;
x - вхідна величина;
∆f - впливні величини.
Розкладемо дану функцію перетворення в ряд Тейлора і отримаємо:
. (4.8)Індекс «0» біля частинних похідних показує, що вони визначаються для значень впливних величин, які відповідають нормальним умовам f=f0 (умовам градуювання).
Проаналізуємо складові рівняння (4.8).
- вільний член розкладу, який дорівнює y при х=0 і ∆f=0.
=
- номінальний коефіцієнт перетворення або чутливість засобу вимірювання відношення зміни вихідної величини засобу вимірювань до зміни вхідної величини, що її викликає.
=
, 
=
- зміна чутливості в діапазоні перетворення.
=
, 
=
- коефіцієнти впливу впливних величин на вихідний параметр у засобу вимірювання.
=
- коефіцієнт впливу впливних величин на номінальну чутливість засобу вимірювань. Розкладемо в ряд Тейлора рівняння (4.2) і отримаємо:
= 
(4.9) = 
(4.10)
= 
(4.11)
= 
(4.12) Визначимо номінальну функцію перетворення
. (4.13)Визначимо похибку не лінійності номінальної функції перетворення
. (4.14)Мультиплікативна похибка перетворення
. (4.15)Адитивна похибка перетворення
. (4.16)Крім чутливості, засоби вимірювань характеризуються порогом чутливості і зоною нечутливості.
Поріг чутливості – найменше значення вимірюваної величини, яка може бути виявлена засобом вимірювань
, (4.17)де хП – поріг чутливості.
Зона нечутливості – діапазон значень вимірюваної величини, в межах якого її зміни не викликають зміни показу засобу вимірювань.
, (4.18)де хНЧ – зона не чутливості.
Досить важливою метрологічною характеристикою є діапазон вимірювань. У ДСТУ 2681-94 розрізняють діапазон показів і діапазон вимірювань.
Діапазон показів – інтервал значень вимірюваної величини, який обмежений початковим та кінцевим її значеннями. Початковим значенням вимірюваної величини називають найменше в діапазоні показів її значення, а кінцевим – її найбільше значення.
, (4.19)де
- діапазон показів.Діапазон вимірювань – інтервал значень вимірюваної величини, в межах якого пронормовані похибки засобу вимірювань. Пронормованими є верхня xmax і нижня xmin межі вимірювання
, (4.20)де
- діапазон вимірювань.У вимірювальній практиці широко використовується також термін "повний діапазон", під яким розуміють відношення верхньої межі вимірювання xmax до порогу чутливості.
. (4.21)Швидкодія – час, витрачений на вимірювання, під яким розуміють проміжок часу з моменту зміни величини, що вимірюється, до моменту встановлення показу приладу (для розробленого вимірювального каналу до 10 секунд).
Показ – значення вимірюваної величини, створене за допомогою засобу вимірювань та подане сигналом вимірювальної інформації.
Час встановлення – інтервал часу від моменту початку дії вхідного сигналу до моменту, коли показ досягає і залишається в середині повних меж навколо усталеного значення.
Варіація показу засобу вимірювань – різниця між двома показами засобу вимірювання, коли одне й те ж значення вимірюваної величини досягається внаслідок її збільшення чи зменшення (для обраного вимірювального каналу варіація лежить в межах
).4.2. Оцінка динамічних метрологічних характеристик.
При проведенні вимірювань фізичних величин завжди виникає перехідний режим роботи засобу вимірювань, при якому сигнал на його виході суттєво змінюється в часі. Дана обставина пояснюється інерційними властивостями засобу вимірювань, які зумовлюють появу динамічної похибки. Тому для оцінки точності засобу вимірювань у динамічному режимі використовується поняття динамічної похибки.
Динамічну похибку представляють через динамічні характеристики і визначають як миттєву різницю значення вхідного сигналу, розрахованого за вхідним сигналом і значенням номінальної статичної характеристики, і миттєвого значення сигналу у даний момент часу.
Повні динамічні характеристики однозначно визначають зміну вихідного сигналу засобу вимірювань при будь-яких змінах у часі вхідного сигналу або впливних величин.
До повних динамічних метрологічних характеристик належать: диференціальне рівняння, імпульсна характеристика δ(t), перехідна характеристика h(t), передаточна функція S(p), сукупність амплітудно- A(ω) і фазочастотних φ(ω) характеристик.
Частотні динамічні характеристики являють собою функціонали або параметри повних динамічних характеристик засобів вимірювань, наприклад, стала часу, час запізнювання встановлення вихідного сигналу.
Диференціальне рівняння пов’язує вихідну величину засобу вимірювань y(t) із вхідною x(t) у динамічному режимі роботи. При складанні диференціальних рівнянь у праву частину записують вхідний сигнал, тобто причину, що привела засіб вимірювань у дію, а в ліву частину рівняння – вихідний сигнал (реакцію засобу вимірювань).
Найхарактернішими для засобів вимірювань є динамічні характеристики, які описуються диференціальними рівняннями першого порядку.
Узагальнене рівняння, яке характеризує аперіодичну ланку має вигляд:
, (4.22)де k – коефіцієнт передачі;
τ – стала часу, що визначається параметрами засобу вимірювань;
x(t) – вхідна величина засобу вимірювання;
y(t) – вихідна величина засобу вимірювання.
Розв’язок даного диференційного рівняння має вигляд:
(4.23)Реакція засобу вимірювання на вхідний сигнал у вигляді ступінчатої функції 1(t) (функції Хевісайда) для нульових початкових умов називається перехідною характеристикою h(t).
Згідно з наведеним визначенням в праві частини диференціальних рівнянь першого порядку в якості вхідного сигналу підставимо функцію Хевісайда h(t):
, (4.24)і роз’язком даних рівнянь отримаємо аналітичні залежності для перехідної характеристики аперіодичної ланки
. (4.25)Чим швидше наближається перехідна функція h(t) до усталеного значення, тим менші інерційні властивості засобу вимірювань. Тому найбільш розповсюдженим способом нормування динамічних характеристик засобів вимірювання є вказання тривалості перехідного процесу.
Інерційні властивості характеризуються постійною часу . Знаючи τ, досить легко визначити і час, необхідний для наближення перехідного процесу до статичного режиму для будь-якої заданої точності.
Похибка в усталеному режимі є статичною похибкою. Наявність перехідного процесу зумовлює динамічну похибку. Тривалість перехідного процесу при заданій (допустимій) динамічній похибці визначають з рівняння
, (4.26)де tПП – тривалість перехідного процесу.
З останнього рівняння тривалість перехідного процесу при заданому значенні динамічної похибки визначається за формулою
. (4.27)Таким чином, у засобах вимірювань з аперіодичним перехідним процесом, який описується перехідною першого порядку, тривалість перехідного процесу зменшується при зменшенні сталої τ і при збільшенні допустимої динамічної похибки.
Протікання перехідного процесу у ВП після зміни концентрації газової суміші представлено на рисунку 4.3:
Рисунок 4.3 - Перехідний процес у ВП
При t ≈ від 0 до 0,5 с – це час від моменту зміни концентрації димового газу на вході до моменту досягнення вихідним сигналом певного рівня – 0,2. Це час транспортування проби та інерційність елементів.
При t ≈ від 0,5 до 5 с – це час по закінченню якого миттєве значення вихідного сигналу буде пропорційне значенню зміни складу компонентів газової суміші. Час залежить від динамічних процесів газової суміші, що аналізується.
1 2 3 4