Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 114 )

Результаты экспериментального измерения распределения температуры по высоте реакционной ячейки показали, что градиент температуры по высоте ячейки не превышает 0.1єС (рис. 17.6).

Малая инерционность термостата обеспечивает высокое качество управления температурным режимом во время эксперимента в динамическом режиме при скоростях нагрева до 5 град/мин. при температурах до 200єС, лимитируемой использованием фторопласта-4 в качестве конструкционного материала ячейки. В ходе опыта измеряются и регистрируются температуры на внешней поверхности и внутри реакционной ячейки. Измерение температур выполняется малоинерционными термопарами типа К с точностью не хуже 0.05K.

Блок-схема системы управления термостатированием УДМ показана на рис. 17.7.

Регулирование температуры термостата производится с использованием программы реального времени, которая осуществляет прием входящих сигналов от термопар, обработку этих сигналов, выработку сигнала для управления нагревом и запись полученных данных в файл.

Рис. 17.6. Результаты измерения профиля температур по высоте ячейки (нагрев ячейки, заполненной водой на 70%, со скоростью 1°С/мин): 1 – нижняя часть ячейки, 2 –середина ячейки, 3 – верхняя часть ячейки

Рис. 17.7. Система управления термостатированием УДМ: Н1 - нагреватель термостата; Т1 - регулирующая термопара на внешней стенке ячейки; Т2 – измеряющая термопара внутри ячейки; БП1 – управляемый блок питания; ЦАП1 – цифро-аналоговый преобразователь; АЦП1 – аналогово-цифровой преобразователь; комп. – персональный компьютер.

Аналоговый сигнал от термопары Т1 через АЦП1 в программном модуле преобразуется в значение температуры стенки ячейки и сравнивается с заданной программой изменения температуры. Разность между температурой стенки ячейки и текущим программным значением поступает на ПИ-регулятор и далее через ЦАП1 на вход регулируемого блока питания БП1, который выдает соответствующую мощность на нагреватель Н1. Сигналы термопар Т2 и Т1 в течение опыта записываются в файл.

Используются АЦП и ЦАП с разрешением 16 бит. Для диапазона измерений 0.1 В минимальное значение одной ступени квантования соответствует 1.5 мкВ или 0.038єС. Подбор параметров ПИ-регулятора обеспечивает поддержание стационарной температуры с точностью ±0.05єС и точность выполнения программы линейного нагрева для скоростей менее 1°/мин не хуже ±0.1єС в каждой точке при температурах до 150єС.

17.2.3. Измерительно-вычислительная система

Измерительно – вычислительная система реального времени (далее ИВС) УДМ выполняет функции получения информации в режиме реального времени о параметрах состояния установки с помощью измерительных преобразований, обработки, регистрации, индикации и хранения результатов измерений и обработки, преобразования этих данных в выходные сигналы системы для применения в целях управления и получения целевых экспериментальных результатов.

ИВС реализована на базе технологии виртуальных приборов в среде графического программирования LabVIEW фирмы National Instruments в которую интегрируются драйверы средств измерений. [4, 5]. Эта технология дает возможность выполнить синтез необходимых виртуальных средств измерений и управления. При использовании входящих в LabVIEW многочисленных встроенных функций обработки и отображения измерительной информации создание прикладного программного обеспечения реального времени выполняется существенно проще и быстрее по сравнению с разработкой в среде программирования общего назначения. Кроме того, созданные программные приложения могут быть легко адаптированы к часто меняющимися требованиям.

Выбор номенклатуры измеряемых и управляемых параметров установки определяется физической и математической моделью функционирования кинетического реактора как реактора идеального смешения, что исключает необходимость организации пространственно распределенных измерений по объему реакционной ячейки.

Перечень измеряемых в режиме реального времени входных сигналов УДМ и используемых для их измерения первичных преобразователей (датчиков) приведен в табл.17.1.

Для измерения температур используются термопары типа К (хромель-алюмель), изготовленные из проводов диаметром 0.05 мм. Этот тип термопар имеет термоЭДС около 40 мкВ/°С и номинальную статическую характеристику, близкую к линейной, во всем диапазоне измеряемых температур. Используемые термопары периодически проходили индивидуальную градуировку по температурам плавления и кристаллизации эталонных особо чистых образцов воды и металлов галлия и индия (табл.17.2) непосредственно в структуре своего измерительного канала. Погрешность измерения температуры в диапазоне от 0 до 150 єС не превышает 0.1єС.

Таблица 17.1

Перечень измеряемых входных сигналов и средства их измерения УДМ

Измеряемый сигнал	Диапазон измерения	Средство измерения	Максимальная ошибка измерения	Диапазон выходного сигнала
Температура холодных спаев	15-30°С	Встроенный датчик коннектора	±0.1°С	0-1В
Температура внутри ячейки	15-150оС	Термопара типа К	±0.2°С	0-6 мВ
Температура на стенке ячейки	15-150оС	Термопара типа К	±0.2°С	0-6 мВ
Давление в ячейке	1-5 бар	Датчик абсолютного давления FPA Honeywell	±0.1%	0-4 В
Давление компенсации	1-7 бар	Датчик абсолютного давления FPA Honeywell	±0.1 %	0-5 В

Таблица 17.2

Результаты индивидуальной калибровки термопары

Эталон	Контрольная температура (по паспорту образца), єС	Показания калиброванной термопары, єС	Абсолютная погрешность измерения, єС
Индий	156.5985	156.58	0.02
Галлий	29.7646	29.85	0.09
Лед (вода)	0.0	0.096	0.10

Измерение температуры холодных спаев термопар – вспомогательное, но очень важное измерение, необходимое для правильного и точного измерения температуры с помощью термопар. Ее определение необходимо для компенсации разницы между стандартной температурой холодных спаев при градуировке термопары 0°С и температурой холодных спаев при измерении. Температура холодного спая измеряется термистором, встроенным в коннектор, электрический сигнал которого преобразовывается в значение температуры с коэффициентом 100єС/1В. Правильность измерения температуры холодного спая термистором периодически проверяется по показаниям ртутного термометра с диапазоном 050єС с ценой деления 0.2єС и точностью измерения ±0.1єС.

Измерение давления в реакционной ячейке и давления во внешней оболочке проводится датчиками абсолютного давления FPA фирмы Sensotec с диапазоном измерения 0-7 бар, диапазоном значения выходного сигнала 0- 5 в и паспортной основной погрешностью измерения давления (в % от диапазона измерения давления) не более 0.1%. Экспериментальная проверка точности измерения и индивидуальная калибровка датчиков абсолютного давления FPA проводилась путем сравнения показаний датчиков (совместно с измерительными каналами) с показаниями образцового манометра, подключенного к той же пневмосистеме. Абсолютная ошибка измерения давления образцовым манометром (класс точности 0.6) с диапазоном 1ч10 кгс/см2 не более 0.025 кгс/см2. В общем случае, точность измерения давления датчиком давления соответствовала точности измерения образцового манометра.

Измерение атмосферного давления выполнялось барометром-анероидом, диапазон измерения 0.8-1.06 бар, точность 0.005 бар.

Структура ИВС УДМ приведена на рис.17.8.

В ИВС используется мультифункциональное устройство (МФУ) ввода-вывода модели NI 6011E фирмы "National Instruments". Основные характеристики МФУ:

16 аналоговых программно управляемых входов в диапазоне от ±0.1 до ±10 V с разрешением 16 бит и управляемой частотой опроса каналов до 20 тыс. в сек.; 2 аналоговых управляемых выхода ±10 V с разрешением 12 бит; 8 цифровых каналов ввода – вывода (5V/TTL); 2 счетчика – таймера 24 бит.

Подключение сигналов от датчиков и каналов управления к МФУ осуществляется с помощью коннектора SCB-68. Коннектор имеет встроенный датчик температуры холодных спаев.

Рис.17.8. Информационно – измерительная система УДМ.

АЦП и нормирующий усилитель работают в мультиплексном режиме под управлением ЭВМ, входящей в состав ИВС.

Совокупность измерительных преобразователей и каналов связи, выполняющая преобразование измеряемой величины в цифровой код, образует измерительный канал (далее ИК). Понятие ИК отражает сущность выполнения измерений в ИВС. Оно необходимо для анализа погрешностей измерения и организации метрологического обеспечения.

Коды, выдаваемые АЦП, выдаются для обработки на вход в ЭВМ. Обработка производится в соответствии с заложенным в ЭВМ программно – математическим обеспечением (ПМО).

ЭВМ не только обрабатывает первичную измерительную информацию, но и управляет самими процессами в объекте исследования. Для этого используются дискретные битовые и цифровые выходы и исполнительные элементы электроавтоматики.

ЭВМ в составе ИВС выполняет следующие основные функции: