Патрик Гёлль - Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс
Схема устройства согласования, приведенная на рис. 6.12, взята непосредственно из руководства по применению, разработанного компанией Motorola, и является не самой лучшей из существующих, но ее точности в избытке хватает для работы с 8-разрядным АЦП.
Рис. 6.12. Схема устройства согласования для датчика давления
К этой схеме был добавлен интегральный стабилизатор 7805, формирующий напряжение питания 5 В для датчика и для микросхемы сдвоенного операционного усилителя LM 358. Каскады микросхемы решают две задачи: во-первых, воспринимают дифференциальный сигнал с выхода датчика, во-вторых, усиливают его.
При напряжении источника питания 5 В напряжение на выходе второго операционного усилителя не может составлять больше 4 В. Именно эта величина и является напряжением полной шкалы устройства (4 В при давлении 2 бара).
Многооборотный потенциометр R6 с номиналом 20 кОм служит для точной установки этой величины или какой-либо другой точки шкалы, для которой имеется возможность проверить давление с помощью эталонного манометра. Присутствующий в оригинальной схеме, но не обязательный подстроечный резистор для коррекции смещения нуля не был использован ввиду малой величины этого смещения и ограничений точности преобразования 8-разрядных АЦП.
Топологическая схема печатной платы разработанного устройства приведена на рис. 6.13, монтажная схема — на рис. 6.14.
Рис. 6.13. Топологическая схема печатной плоты датчика давления
Рис. 6.14. Монтажная схема датчика давления
Датчик модели МРХ 2200 (но не МРХ 2010, который, согласно руководству компании Motorola, рассчитан на давление до 100 миллибар) крепится к плате двумя винтами-саморезами со средним усилием затяжки и фиксацией винтов лаком или краской.
После закрепления датчика его ленточные выводы припаиваются к предусмотренным для них контактным площадкам. Перед этим выводы датчика должны быть аккуратно отформованы при помощи пинцета или пассатижей с круглыми губками. Внешний вид смонтированной печатной платы показан на рис. 6.15.
Рис 6.15. Внешний вид платы датчика давления
До тех пор, пока на датчик не подано внешнее давление, подключенный к устройству виртуальный вольтметр должен показывать нулевое напряжение, если используется датчик дифференциального типа, или напряжение, соответствующее атмосферному давлению, если использован датчик абсолютного типа.
Широчайшие возможности калибровки и приведения шкал таких программ как PICOSCOPE или PICOLOG позволяют выводить информацию непосредственно в тех величинах, которые интересуют пользователя; в частности, давление выводится в любых соответствующих единицах (например, единицах высоты), равно как и любой другой параметр, который для удобства измерения может быть соотнесен с давлением.
Применяя виртуальный вольтметр программы PICOSCOPE с отсутствующими (что важно) знаками после запятой, достаточно, например, указать нулевую величину для минимального и 2500 гПа (или миллибар) для максимального значений, чтобы при помощи датчика МРХ 2200 АР получить прямую индикацию атмосферного давления в стандартных единицах. Кроме того, достаточно установить максимальную величину равной 1875, чтобы получить индикацию атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба (MMHg — мм рт. ст.), единицах внесистемных, но широко распространенных и понятных.
Хотя стандартной единицей давления является паскаль (Па), можно констатировать, что кроме него используется очень много других единиц — от английских фунтов на квадратный дюйм (PSI) до бар или кг/см2, в которых тарированы, например, автомобильные манометры.
Точные соотношения различных единиц давления приведены в табл. 6.1. Эту информацию можно использовать при калибровке той или иной программы с целью индикации результатов измерений в каких-либо единицах из ряда перечисленных.
Таблица 6.1. Соотношение основных единиц измерения давления
В таблице использованы следующие обозначения:
PS1 - фунт/кв. дюйм
дюйм Н20 - дюйм водяного столба
дюйм Hg - дюйм ртутного столба
кПа - килопаскаль
мбар - миллибар
см Н20 - сантиметр водяного столба
мм Hg - миллиметр ртутного столба
ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
Еще проще, чем датчики температуры и давления, изготовляется фотометрический датчик, часто называемый люксметром, но на самом деле выполняющий гораздо более широкие функции.
Измерение параметров светового излучения является очень сложной задачей, особенно если отсутствует четкое представление о том, что и каким образом надо измерять. Даже в самых серьезных лабораториях иногда могут быть получены обескураживающие результаты из-за того, что при измерениях пренебрегли оформлением четкого протокола.
Надо знать, что основной величиной в фотометрии является сила света источника излучения, измеряемая в канделах. Люкс, более известная единица, на самом деле является единицей измерения освещенности, а это принципиально разные величины.
Для получения освещенности в один люкс экран площадью один квадратный метр должен быть расположен на расстоянии одного метра от точечного источника излучения, однородно излучающего свет во всех направлениях (сила света составляет одну канделу).
Строго говоря, экран должен иметь форму сферического сегмента площадью один квадратный метр, а не плоского квадрата со сторонами в один метр. В таком случае каждая точка экрана будет расположена на одинаковом расстоянии (1 м) от источника. Это важно, так как освещенность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. В указанных условиях область пространства, ограниченная прямыми, которые соединяют источник с линией, образующей периметр экрана, представляет собой «телесный угол» в один стерадиан и заключает световой поток в один люмен. Следовательно, освещенность в один люкс соответствует световому потоку в один люмен, падающему на один квадратный метр площади.
Освещенный подобным образом экран будет отражать, по меньшей мере, часть падающего на него света. Таким образом, он обладает некоторой яркостью, выражаемой в канделах на квадратный метр единицах, называемых нит (нт). Именно эту яркость измеряют экспонометрами в фотографии, тогда как люксметрами измеряют количество света, падающего на поверхность (например, на рабочий стол).
Связь между этими двумя величинами весьма сложна, поскольку основана на отражающих свойствах экрана и зависит от его альбедо (белизны) — величины, характеризующей способность тела отражать падающий на него световой поток, — а также от угла наблюдения экрана. К примеру, в фотографии обычно предполагают, что «средний» объект отражает не более 18 % падающего на него света.
Для того чтобы читатели правильно поняли процесс калибровки нижеописанного прибора, в табл. 6.2 приведены некоторые величины освещенности, получаемые определенной поверхностью в различных природных условиях. Можно убедиться, что динамический диапазон освещенностей достаточно велик.
Таблица 6.2. Некоторые реперные точки фотометрии
В табл. 6.3 приводятся соотношения между основными единицами яркости, применяемыми на практике.
Таблица 6.3. Соотношение между основными единицами яркости
Как с инженерной точки зрения, так и с точки зрения практической электроники все фотометрические измерения производятся с помощью фотоэлектрической ячейки. Однако когда из результатов этих измерений, полученных в вольтах, нужно получить величины силы света, освещенности, светового потока или яркости, надо подходить к этому с точки зрения физика.
Один из самых простых фотометрических датчиков — это фотодиод. Если его включить как фотовольтаическую ячейку, то его ток короткого замыкания будет почти прямо пропорционален освещенности. Значит, он в полном смысле является люксметром. Но все не так просто, поскольку следует учитывать спектральную чувствительность фотодиода.
PIN-фотодиод из монокристаллического кремния — например, широко распространенный элемент BPW 34 — имеет максимальную чувствительность в красной и инфракрасной областях спектра. Это значит, что для применения такого типа ячейки в прецизионной фотометрии надо предусмотреть специальный сине-зеленый фильтр. Фотоэлементы на основе аморфного кремния, напротив, имеют спектральную чувствительность, очень близкую к чувствительности человеческого глаза (как общепринятого образца). В таких случаях говорят, что датчик и человеческий глаз «фототипичны».
