Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс
Для работ, связанных с погружением в жидкие среды, будет необходимо изолировать датчик, поместив его в чехол из термореактивного материала, причем достаточно тонкого, чтобы тепловая инерционность датчика не сильно увеличилась. Идеальный вариант — это чехол, заполненный термоклеем. Понятно, что места паяных соединений проводов и выводов датчика перед размещением в изолирующем чехле для предотвращения замыканий должны быть изолированы отрезками гибкой пластиковой трубки.
Так как датчик определяет точность всего измерительного тракта, калибровать его предельно аккуратно. В принципе, калибровку следует проводить при температуре 25 °C, но ничто не мешает провести ее при другой температуре в пределах от 20° до 30 °C. При этом надо помнить, что температура в разных частях помещения может быть неодинаковой. Поэтому эталонный термометр, как можно более точный, должен располагаться в непосредственной близости от калибруемого датчика на микросхеме LM 335, и, кроме того, нужно выждать некоторое время, чтобы достичь теплового равновесия.
Напряжение калибровки зависит от температуры окружающей среды: например, при температуре 20 °C (или 293 °К) выходное напряжение датчика нужно установить на величину 2,93 В.
Можно рекомендовать и более простой способ калибровки при 0 °C, не требующий образцового термометра. Для этого достаточно проделать в куске льда отверстие (например, остывающим паяльником) и поместить корпус LM 335 (но не выводы!) в талую воду, которая начнет быстро заполнять углубление, — это «тающий лед», температура которого по определению равна 0 °C. Затем надо будет при помощи многооборотного подстроечного резистора отрегулировать датчик до получения на табло виртуального вольтметра показания 2,73 В.
Важно выполнять калибровку датчика именно с тем АЦП, с которым этот датчик будет работать впоследствии, для того чтобы как можно лучше скомпенсировать его погрешность.
Естественно, оба вышеизложенных метода можно комбинировать для получения максимальной точности, хотя при этом не стоит рассчитывать на получение общей точности, высшей ±1 С.
Большинство задач предполагает проведение динамической регистрации изменений температуры за тот или иной период времени. Однократные измерения температуры гораздо удобнее проводить при помощи обычного термометра.
Пакет PICOLOG, работающий со всеми изделиями компании PICO Technology, позволяет выполнять измерения с временными интервалами от нескольких минут до многих месяцев и даже лет. Помимо этого, он дает возможность провести масштабирование результатов измерений, а при использовании датчика температуры произвести преобразование «вольты — градусы Цельсия». (Вначале надо скорректировать наклон характеристики преобразования для получения результатов в градусах по Кельвину, а затем произвести коррекцию смещения для перехода к величинам, измеренным в градусах Цельсия.)
Какой бы АЦП ни использовался (ADC 10 или ADC 12), необходимая величина коррекции смещения в меню «Настройка линейной шкалы» для параметра «Температура» равна -273. Коэффициент коррекции наклона при работе с ADC 10 (8-разрядным) равен 1,9608, а при работе с ADC 12 (12-разрядным) равен 0,1221.
Чаще всего будет использоваться шкала, градуированная от -50 °C до +100 °C или +150 °C и включающая весь рабочий диапазон датчика.
Хотя пакет PICOSCOPE в меньшей степени, чем PICOLOG, пригоден для измерения и обработки замеров температур (осциллограф, частотомер и анализатор спектра здесь не помогут), его вольтметр постоянного тока можно настроить непосредственно на отображение измеренной температуры (рис. 6.10).
Рис. 6.10. Вид экрана в режиме измерения температуры
Для отображения температуры в градусах Кельвина достаточно выбрать режим «Переменная шкала», затем установить минимальное значение равным нулю, а максимальное — 500, без знаков после запятой (десятые доли градуса при точности ±1 °C не имеют значения). При отображении результатов в градусах Цельсия минимальное значение равно —273, а максимальное — 227, также без знаков после запятой.
При использовании АЦП, которые изготовлены по приведенным в книге схемам, на примере программы DEGRES.BAS можно убедиться, насколько просто превратить виртуальный вольтметр в виртуальный термометр.
200 REM — DEGRES —
210 GOSUB 100
220 D=INT(100*D)
230 LOCATE 1,1
240 PRINT USING"###";D-273;
245 PRINT "°C "
250 GOTO 210
260 REM (c)1997 Patrick GUEULLE
Метод приведения шкалы, использованный в этом упрощенном варианте программы VOLTS.BAS, можно применять во всех других программах, рассмотренных в главе 5.
ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
Измерение и регистрация давления широко распространены как в промышленности, так и в повседневной жизни: метеорологические барометры показывают атмосферное давление, а медицинские тонометры — давление в надуваемой манжете. Не стоит забывать и о высотомерах (альтиметрах), которые, по сути, представляют собой те же барометры, но со специальной шкалой.
Нижеописанный простой и дешевый датчик давления, способный работать с АЦП, которые рассмотрены в данной книге, может применяться в самых различных целях.
В зависимости от используемой технологии датчик давления без электронной части может быть и очень дорогим, и относительно дешевым. Экономичные датчики, построенные на основе кристалла кремния, были настолько усовершенствованы, что теперь параметры профессионального уровня можно получить, купив изделие примерно за 25 долларов. Такой датчик состоит из двух основных частей: герметичного корпуса, обычно снабженного штуцерами, позволяющими подсоединять гибкие трубки, и очень необычного полупроводникового кристалла. На одной и той же кремниевой пластине выполнены и классические электронные компоненты, и струнные датчики натяжения (рис. 6.11).
Рис. 6.11. Внешний вид кремниевого датчика давления
Революционная идея состоит в том, что именно сама пластина, определенная часть которой сделана очень тонкой при помощи микрообработки, играет роль мембраны, деформирующейся под воздействием давления.
Первые датчики, изготовленные по такой технологии, давали не слишком хорошие показатели. У них присутствовал ощутимый температурный дрейф, а также заметный сдвиг нуля (наличие выходного напряжения при нулевом давлении), который сильно менялся от образца к образцу. Электронные корректирующие устройства, к счастью, могли существенно сгладить эти недостатки, а на сегодняшний день положение значительно улучшилось.
Выполнение на одной пластине, помимо струнных датчиков натяжения, терморезисторов и резисторов с лазерной подгонкой позволяет производителям создавать и выпускать уже калиброванные и термокомпенсированные датчики. Использовать их очень просто — достаточно подать постоянное напряжение на одну диагональ моста, состоящего из струнных датчиков натяжения, и снимать с другой диагонали этого моста напряжение, пропорциональное приложенному давлению. Так, датчики компании Motorola из серии МРХ 2000 обычно формируют нулевое напряжение в диагонали при нулевом давлении и 40 мВ (реально — в пределах от 37,42 до 42,58 мВ) при давлении, соответствующем их полной шкале.
Для устройств, рассматриваемых в этой книге, с целью охвата наиболее широкой сферы применения был выбран датчик МРХ 2200, работающий в диапазоне изменения давления до 2 бар (до 200 кПа).
Датчик выпускается в двух вариантах — МРХ 2200 АР, называемый абсолютным, и МРХ 2200 DP, называемый дифференциальным. Очень важно понять принципиальную разницу между ними и выбрать именно тот вариант, который соответствует условиям измерения.
Деформируемая мембрана датчика может «чувствовать» только разницу давления между двумя своими поверхностями, притом по-разному в разных направлениях. Вследствие особенностей конструкции у нее есть сторона «высокого давления» и сторона «низкого давления». Поэтому корпус датчика состоит из двух полостей, между которыми и расположена мембрана.
Если каждая из полостей снабжена штуцером для присоединения трубок, датчик определяет разницу между двумя приложенными давлениями, т. е. является дифференциальным. Одно из этих давлений может быть атмосферным — для этого одна из полостей остается открытой (к штуцеру ничего не присоединяется).
В датчиках, называемых абсолютными (или, более правильно, абсолютного давления) одна из полостей полностью герметизирована и «накачана» до определенного давления (хотя внутри нее может быть и глубокий вакуум). Таким образом, давление, прикладываемое к единственному входу датчика, будет измерено относительно этого опорного давления. Датчики такого типа используются, в частности, в барометрах и высотомерах, которые сравнивают внешнее атмосферное давление с опорным. Естественно, такому датчику для нормальной работы не нужна сложная электроника.
