автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Микропроцессорные устройства измерения температуры на базе термометров сопротивления

Московский государственный институт электронной техники (Технический Университет)

На правах рукописи

Ковалев Андрей Викторович

Микропроцессорные устройства измерения температуры на базе термометров сопротивления

Специальность 05.13.05 " Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления "

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., профессор Тарасов Ю.А. Научный консультант к.т.н. Портнов Е.М.

Москва - 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................................4

Глава 1. Обзор существующих методов и средств построения

устройств измерения и стабилизации температуры..............................12

1.1. Основные характеристики, связанные с понятием температуры........................................................................................12

1.2. Принцип действия устройств измерения температуры...................14

1.3. Структурные схемы измерителей температуры...............................16

1.4. Основные типы линий связи термодатчиков с устройством измерения............................................................................................19

1.5. Характеристики электронных интегральных датчиков температуры........................................................................................22

1.6. Сравнительные характеристиииг. Температурных преобразователей сопротивления.:..*.^..............................28

1.7. Сравнительный анализ основных видов термоэлектрических преобразователей.............................................30

1.8. Исследование структурных схем существующих устройств измерения температуры...................................................37

1.9. Алгоритмы получения корректирующих характеристик................46

1.10. Исследование микропроцессорных средств измерения и методов реализации алгоритмов на их основе.................................51

1.11. Цель и задачи исследования............................................................57

Выводы......................................................................................................57

Глава 2. Обобщённые структурные схемы микропроцессорных устройств измерения температуры (МУИТ), алгоритмы и программы...............................................................................................59

2.1. Синтез базовой структурной схемы на основе анализа номенклатуры устройств измерения температуры...........................60

2.2. Математическая модель универсального измерителя температуры.......................................................................................72

2.3. Разработка функциональных алгоритмов МУИТ............................75

2.4. Разработка алгоритмов микропроцессорного управления устройством измерения температуры...............................................80

2.5. Программное обеспечение для управления структурой

микропроцессорных устройства измерения температуры................86

Выводы.........................................................................................................87

Глава 3. Блочно-модульная база и технические средства

реализации МУИТ......................................................................................89

3.1. Основные блоки устройства и интерфейсы.......................................89

3.2. Обоснование и выбор блочно-модульной базы устройства.............90

3.3. Разработка программного обеспечения МУИТ.................................97

3.4. Методика проектирования МУИТ....................................................100

Выводы.......................................................................................................101

Глава 4. Исследование характеристик МУИТ............................................103

4.1. Количественная оценка основных характеристик МУИТ..............103

4.2. Методика проведения экспериментальных исследований.............111

4.3. Моделирование алгоритма управления............................................114

4.4. Экспериментальное исследование эффективности метода линеаризации.......................................................................................115

Выводы.......................................................................................................117

Заключение.....................................................................................................118

Литература......................................................................................................120

Приложение 1. Номинальная статическая характеристика и корректирующие функции термопреобразователей

сопротивления..........................................................................................128

Приложение 2. Полиномиальная аппроксимация характеристик

термопар....................................................................................................137

Приложение 3. Перечень нормативно-технических документов,

на которые даны ссылки в технических условиях................................139

Приложение 4. Перечень рекомендуемых средств измерений и испытательного оборудования, применяемых при

испытаниях измерителей-регуляторов...................................................140

Приложение 5. Технические характеристики приборов............................141

Приложение 6. Структура программных модулей для устройства

измерения температуры...........................................................................143

Приложение 7. Акт использования результатов диссертационной

работы........................................................................................................144

Введение.

Актуальность работы. Температура является одной из наиболее часто измеряемых физических величин [25], датчики температуры являются одной из важнейших разновидностей датчиков, считается даже, наиболее важной [6]. Температуру необходимо учитывать при управлении многими естественными и искусственными процессами. Устройства измерения и регулирования температуры нашли широкое применение в бытовой технике, а именно:

• в системах отопления помещений;

• в электронагревательных приборах;

• в холодильниках и морозильниках, в промышленном производстве:

• при изготовлении особочистых материалов интегральных микросхем;

• в асфальтном и бетонном производствах;

• на хлебопекарных и кондитерских фабриках,

а также во многих других технологических процессах и при проведении научных экспериментов.

Благодаря многообразию процессов, в которых необходимо знать и учитывать температурные характеристики объектов, появилось множество различных по назначению датчиков для измерения температуры. Широко известны измерительные преобразователи температуры в электрические величины, такие как сопротивление и напряжение. На современном этапе благодаря развитию вычислительной техники и средств электронных коммуникаций получили распространение датчики с цифровым выходным сигналом. Использование датчиков температуры связано с разработкой устройств для обработки их выходных сигналов. Эти устройства используются для передачи сигналов датчиков в устройства автоматики, а также для преобразования этих сигналов с выводом на устройства индикации в виде, удобном для восприятия человеком.

Помимо непосредственных измерений, по значению температуры можно косвенно определять и другие параметры, например, скорость потока жидкостей и газов, а также учитывать влияние температуры на другие параметры, такие как давление, длину, объём и т.п.

Вопросам теории и практики термометрии посвящено большое количество обобщающих работ. История термометрии представлена в работах профессоров Г. Бухдаля, В. Мидлтона [75], Ф. Шервуда-Тейлора [78], П.Профоса [15]; обзор работ учёных мира в этой области изложены в книге Т. Куинна "Температура" [27,75] - одном из наиболее крупных обзоров по термометрии за последнее время. Среди трудов советских учёных достаточно упомянуть монографии В.П. Преображенского [41], Г.М. Кондратьева [24], О.А. Геращенко [7], А.М. Турчина, Г.И. Кавалерова [17], Ф.Е. Темникова [54], В.М. Гинзбурга. Применению микропроцессоров в устройствах измерения температуры посвящены работы таких известных учёных, как Э.И. Цветков [61, 62], ГЛ. Мирский [32], А.М. Мелик-Шахназаров [30]. Вопросы решения прикладных задач измерения и регулирования температуры освещаются в работах американских и английских учёных Ф. Мейзды [31], Дж. МакАллана, Ж.Тирьена [79], Дж. Холла и К.Барабера [69,70] и многих других, немецких исследователей Г. Виглеба [6, 84, 85], В. Диля, Г. Захса, а также в изданиях таких известных производителей датчиков и устройств, как Hewlett-Packard [77], Zilog [86], Analog Devices [66], Oméga [76, 81] и других.

Задача реализации устройств измерения температуры (УИТ), исходя из рассмотренного выше разнообразия регулируемых процессов, определяется многими переменными. В каждом конкретном случае подлежат решению вопросы структуры устройства, алгоритма измерения, модульной базы и результирующей точности проектируемого прибора. Причем все они взаимосвязаны, поэтому необходимо решать их совместно в комплексе.

Рост количества фирм и номенклатуры изделий для регистрации, измерения, преобразования, обработки и регулирования температуры ярко свидетельствует об актуальности темы. Однако при всем многообразии выпускаемых приборов нет универсальных средств или структур этих приборов, позволяющих

эффективно подходить к решению задач конкретного измерения. Современные зарубежные достижения в этом вопросе мало освещаются в российских публикациях, и в большинстве своем их источники не переведены на русский язык. Учёт опыта и обмен статьями, докладами имеет огромное значение.

Важной задачей организации, занимающейся разработкой и внедрением, а также организации, занимающейся серийным выпуском приборов измерения и автоматизации, является сокращение сроков разработки и снижение себестоимости приборов за счёт унификации. В связи с этим можно сделать вывод о необходимости проведения исследования возможности разработки устройства измерения температуры, которое удовлетворяло бы следующими требованиям:

• универсальность с возможностью адаптации под конкретную задачу;

• устойчивость к воздействию факторов нестабильности;

• преемственность структуры при разработке модификаций устройства с возможностью применения набора датчиков различных типов;

• использование принципа относительности измерения [40], согласно которому измерения и преобразования выполняются с нормированными величинами;

• осуществление автоматической привязки относительных величин к ре-перным точкам шкалы или упрощение калибровки прибора.

Целью диссертационной работы является исследование существующих методов измерения температуры, их анализ и обобщение, исследование возможностей уменьшения погрешностей канала измерения, разработка универсальной структурной схемы микропроцессорного измерителя температуры, создание методики проектирования микропроцессорных устройств измерения температуры на базе полученной структурной схемы, разработка алгоритмов измерения для проектируемых по этой методике устройств, исследование и разработка схем включения различных типов датчиков к микропроцессорному устройству, разработка алгоритмов линеаризации функции преобразования, исследование и выбор микропроцессорных средств решения поставленных задач.

Методы исследования. Для теоретического и практического решения поставленной задачи использовались математический аппарат дифференциаль-

ного и интегрального исчисления, теория численных методов, моделирования и аппроксимации функций, теория тепломассообмена.

Научная новизна работы.

1. Разработана структурная схема МУИТ, являющаяся базовой для проектирования модификаций устройств измерения, а также методика проектирования таких устройств. Согласно этой методике требования технического задания достигаются за счёт изменения программного обеспечения при незначительных изменениях схемотехники базовой структуры.

2. Разработан универсальный алгоритм управления МУИТ, позволяющий включать в состав программы функции измерения и стабилизации, соответствующие подключаемым к устройству датчикам и регулируемым устройством объектов. Функции накапливаются в виде библиотеки подпрограмм в ходе разработки модификаций устройства.

3. Разработан алгоритм цифровой обработки сигналов первичных датчиков, исключающий влияние параметров измерительного канала на точность работы устройства.

4. Реализованы два алгоритма линеаризации граду ировочных характеристик термосопротивлений и термопар для микроконтроллеров типа Zilog, Microchip.

Практическая значимость результатов проведенных исследований заключается в возможности улучшения основных метрологических характеристик (точности, достоверности, уровня автоматизации) рабочих и образцовых устройств измерения температуры, что, в свою очередь, будет способствовать улучшению качества контроля технологических процессов. Разработанные функциональные алгоритмы, а также математические модели и программы расчета функций линеаризации и коррекции градуировочных характеристик термодатчиков позволяют облегчить решение практических задач по конструированию МУИТ. Разработанная универсальная структура позволила существенно сократить сроки разработки одноканальных, многоканальных МУИТ и терморегуляторов с программным управлением.

Разработана методика проектирования устройств измерения температуры, позволяющая ускорить процесс создания новых устройств, разработки интерфейсов датчиков, индикаторов, снизить затраты на создание многоканальных устройств.

Разработаны алгоритм обработки сигнала и структура измерительного канала, позволяющий обеспечивать заданную точность измерения температуры. Использование алгоритма позволяет при полном рабочем диапазоне датчика от —100°С до +1000°С достигнуть погрешности 1°С.

Алгоритм линеаризации характеристик первичных датчиков, реализованный в виде программы микропроцессорной обработки, позволил снизить стоимость за счёт рационального выбора элементов и узлов устройства.

Рассчитаны коэффициенты уравнений аппроксимации функций, корректирующих нелинейность градуировочных характеристик датчиков типа ТСП-50, ТСП-100.

Применение предложенных технических решений способствовало внедрению в серийное производство одноканальных и многоканальных измерителей -регуляторов температуры типа ТРМ-1, ТРМ-5, ТРМ-34 и других, выпускаемых производственным объединением "ОВЕН" и научно-производственным комплексом "Технологический Центр".

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы получены автором на кафедре "Вычислительная техника" Московского государственного института электронной техники (Технического Университета) и в процессе работы на НПО "ОВЕН". Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами и сертификатами качества. Разработана серия измерителей температуры типа УКТ-31Ч. Предложенная методика применялась при разработке устройств обработки сигналов интегральных датчиков давления, выпускаемых НТК "ТЦ" МИЭТ.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями МУИТ, сертификатами качества на соответствующие приборы (см. Каталог 1997 года ПО "ОВЕН"). Автором в составе коллектива ис-

следователей получен патент РФ №2112224 на изобретение "Терморегулятор микропроцессорный" по заявке № 96113330 от 26.06.96 [2].

На защиту выносятся:

• новая методика проектирования устройств измерения температуры на основе комплексного подхода к проектированию;

• универсальная базовая структура микропроцессорного устройства измерения температуры;

• алгоритм цифровой обработки сигнала датчика, исключающий влияние нестабильности элементов измерительного канала;

• алгоритм обработки градуировочных характеристик термодатчиков, позволяющий подключать к устройству различные типы датчиков и синтезировать модификации УИТ.

Апробация работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на второй международной конференции "Новые информационные технологии" в г. Минск, 1996 г.; всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика" г. Зеленоград, 1995, 1996, 1997 гг.; международной научно-технической конференции "Автоматизация сельскохозяйственного производства" в г. Углич, 1997 г.; научно-технической конференции "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", г. Гурзуф, 1997 г.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 3 статьях и 7 научных докладах на российских и международных конференциях.

Структура диссертации. Диссертация изложена на 144 страницах основного текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, 7 приложений и списка литературы из 86 наименований, содержит 46 рисунков.

Во введении отмечается актуальность темы диссертации, формулируются общие направления исследования, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе проанализированы существующие методы и средства построения микропроцессорных устройств измерения температуры (МУИТ). Про-

водится обзор первичных датчиков температуры. Более подробно рассмотрены датчики для электрического контактного способа измерения температуры - интегральные электронные датчики, термосопротивления и термопары. Рассмотрены факторы, негативно влияющие на точность измерения и качество работы существующих устройств измерения температуры. Делается вывод о преимуществах микропроцессорной обработки выходных сигналов, в частности с целью получения универсального метода