Універсальний багатоканальний вторинний прилад для вимірювання постійної напруги амплітудою до 100 мВ

Універсальний багатоканальний вторинний прилад для вимірювання постійної напруги амплітудою до 100 мВ

Универсальный многоканальный вторичный прибор для измерения постоянного напряжения амплитудой до 100 мВ

І. інженер з комп’ютерних систем ДП «Івно-Фрнаківськстандартметрологія»

При проведенні науково-дослідних робіт часто виникає потреба у вимірюванні електричних сигналів малої амплітуди. Такі сигнали можуть надходити з різноманітних давачів, або, наприклад, від самописних реєструючих приладів. Зростаючі потреби щодо точності та достовірності даних, які отримуються при дослідженнях, вимагають використання швидкодіючих приладів, а також приладів з пам’яттю. Самописці, які донедавна використовувалися з цією метою, мають ряд недоліків, це перш за все використання витратних матеріалів, незручність обробки отриманих результатів вимірювання, низьку швидкодію і точність, зумовлені суб’єктивним зчитування інформації тощо [1]. Проте, вони все ще використовуються, наприклад, при рентгенологічних дослідженнях матеріалів і в медицині.

В багатьох випадках необхідно отримувати не саме значення виміряної величини, а оцінювати динаміку її зміни, а також проводити певні обчислення на основі отриманої сукупності даних. Для вирішення таких завдань можна використовувати цифрові запам’ятовуючі осцилографи, наприклад, фірми Tektronix, які мають досить високу вартість, що обмежує використанні їх в лабораторіях.

Автор зіткнувся з проблемою вимірювання і протоколювання малих сигналів при конструюванні засобів вимірювальної техніки для вимірювання перепаду тиску, при повірці лічильників газу на базі ДП «Івано-Франківськстарндартметрологія». Застосований вимірювальний перетворювач MPX2010 фірми Freescale має діапазон вихідного сигналу ±25мВ, а наявні прилади не забезпечували або відповідних метрологічних характеристик, або протоколювання результатів вимірювання. Відповідно, постала потреба у створенні вторинного приладу, який відповідав би таким вимогам:

· Вимірювання постійної напруги в діапазоні 0-100 мВ з основною приведеною похибкою не більше 0,5%

· Статистична обробка результатів вимірювання для виключення впливу завад, актуальна при вимірюванні малих сигналів

· Зв’язок з персональним комп’ютером, протоколювання результатів вимірювання з частотою не менше 5 вимірювань в секунду

· Простота реалізації в лабораторних умовах

Автором розроблено універсальний багатоканальний вторинний прилад для вимірювання постійної напруги амплітудою до 100 мВ, основою якого є мікропроцесор фірми Atmel типу ATmega16, який працює на частоті 8 МГц. Багатоканальний АЦП даного мікропроцесора має розрядність 210, забезпечуючи похибку квантування на рівні 0,1%. Мікроконтролер працює під управлінням внутрішньої програми, написаній на мові високого рівня С [2], що дало можливість забезпечити такі функції:

· Перетворення аналогового вхідного сигналу перетворювача тиску в цифрове значення, що передається в персональний комп’ютер по послідовному порту RS-232.

· Чотири незалежних канали вимірювання для спостереження одночасно декількох величин, 2 канали з діапазоном вимірювання 100 мВ і 2 канали з діапазоном вимірювання 2,56 В. Ці канали можуть бути задіяні для реалізації стандартного входу 4-20 мА при наявності зовнішнього джерела живлення.

· Статистична обробка результатів вимірювання. Вимірювання по кожному каналу здійснюється з частотою 300 Гц, причому дані поміщаються в буфер типу FIFO на 32 значення, і при кожному вимірюванні перераховується середнє арифметичне значення минулих 32 вимірювань. Таким чином різко зменшується випадкова складова похибки, особливо в умовах високого рівня шумів і завад, а також високочастотних пульсацій вимірюваної величини.

Принципова електрична схема приладу (рис.1)

Рис.1 Принципова електрична схема вторинного приладу

складається з прецизійних операційних підсилювачів, які здійснюють нормування сигналу, мікроконтролера обробки даних, мікросхеми узгодження з послідовним портом RS-232, і блока живлення.

В якості прецизійних підсилювачів вибрані мікросхеми типу КР140УД17А, як апробоване автором рішення під час роботи в ДП «Івано-Франківськстандартметрологія» для вимірювання електричних сигналів від перетворювачів тиску. Вхідний сигнал фільтрується від завад фільтром низьких частот четвертого порядку для входів 1 і 2, і фільтром низьких частот першого порядку для входів 3 і 4. Перетворення здійснюється мікроконтролером, який також забезпечує вивід вимірюваної величини на через мікросхему узгодження на послідовний порт RS-232. Мікросхема узгодження також використана в нетиповому включенні, яке дозволяє отримати від’ємну напругу для живлення операційних підсилювачів від однополярного джерела живлення.

Вартість компонентів вторинного приладу не перевищує 100 грн, що робить його доступною альтернативою існуючим запам’ятовуючим осцилографам для багатьох практичних застосувань, наприклад контролю тиску, температури, інтенсивності випромінювання та ін.

Для відображення та протоколювання результатів вимірювання автором розроблена комп’ютерна програма, яка працює в середовищі Windows 95-XP. Зв’язок здійснюється через послідовний порт COM1.

Вікно комп’ютерної програми зображено на рис.2.

Рис.2. Вікно комп’ютерної програми вторинного приладу

Можна встановлювати кількість одночасно працюючих каналів вимірювання, кількість вимірювань, після якої процес автоматично зупиняється та інтервал між вимірюваннями. Вхідні напруги по кожному входу постійно відображаються в ході процесу вимірювання у лівому верхньому куті вікна програми. Також відображається загальний час виконання вимірювань і пройдений час від початку вимірювання. Після натискання кнопки «Зупинити запис» або по завершенню вказаного часу автоматично з’являється вікно збереження результатів вимірювання у текстовий файл. Після цього його можна відкривати будь-якими програмами, в тому числі Microsoft Excel, для оперативної побудови графіків зміни вимірюваної величини, а також проведення кореляційних досліджень між одночасно вимірюваними сигналами.

Рис. 3. Зовнішній вигляд приладу

Прилад, виготовлений у вигляді модуля, пройшов випробування також у лабораторії кафедри матеріалознавства і новітніх технологій Прикарпатського університету ім. В. Стефаника, де за допомогою нього було підвищено інформативність результатів експериментальних досліджень, які раніше проводилися за допомогою показуючих приладів та самописців.

Внутрішня програма, а також комп’ютерна програма може бути отримана за запитом у ДП «Івано-Франківськстандартметрологія».

Література:

1. Орнатский измерения и приборы –, К.: «Вища школа», 1986 – 504 с.

2. - Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров –, К.: «МК Пресс», 2006 – 400 с.