Практические указания для выполнения работы

1. Дома изучить приведенные выше теоретические положения и настоящий раздел.

2. В лаборатории ознакомиться с конструкцией и метро­логическими характеристиками медного термопреобразователя сопротивления подвергаемого градуировки и заполнить таблицу «Перечень приборов».

3. Установить преобразователь в печь так, чтобы его чувствительный элемент находился рядом с эталонным термометром и подключить его по двухпроводной схеме к мосту одинарному типа МО-62. Схема подключения приведена на крышке моста. В качестве эталона в печи установлен стеклянный жидкостный термометр с ценой деления 0,2 °С.

4. С помощью автотрансформатора медленно изменять напряжение на нагревателе печи и, когда температура стабилизируется, измерить мостом сопротивление R_t^* термопреобразователя и одновременно по показаниям эталона измерить действительное значение температуры t_d . Записать показания приборов в табл. 3 при температуре окружающей среды, 50, 70 и 90 °С (примерно). ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ!!! Не поднимать температуру выше 100 °С.

5. Из табл. 2 по R_t* определить измеренную термосопротивлением температуру t, вычислить погрешность измерения по уравнению .Сравнить фактическую погрешность измерения Δt с допустимой Δt_d (из табл. 1) и сделать вывод о пригодности термосопротивления к применению.

6. По данным табл. 3 на одном графике построить номинальную статическую характеристику t(R_t*) и градуировочную характеристику t_d(R_t*) термосопротивления.

Таблица 3

Rt*, Ом
td, С
t, С
С

Контрольные вопросы для самопроверки

1. Принцип действия термопреобразователя сопротивления (термосопротивления).

2. Назначение термопреобразователя сопротивления.

3. Конструкция термопреобразователя сопротивления.

4. Что называют термистором?

5. Чем отличается нормированная статическая характеристика от градуировочной?

6. Чему равен диапазон измерения термопреобразователя сопротивления?

7. Чему равна допустимая погрешность термопреобразователя сопротивления?

8. С какой целью термосопротивление соединяют со вторичным прибором тремя или четырьмя проводами?

Лабораторная работа 58

Компьютерные измерения

План работы

1. Ознакомление с проблемами компьютерных измерений.

2. Способы компьютерных измерений.

3. Компьютерная проверка явления электромагнитной индукции.

Основные теоретические положения

Компьютерные измерительные системы могут воспринимать информацию от окружающей среды только в цифровом виде. Однако в настоящее время большинство измерительных приборов, первичных измерительных преобразователей (датчиков) выдают измерительную информацию в аналоговом виде. Чтобы современные системы воспринимали аналоговые сигналы, необходимо их преобразовать в цифровой вид – кодированные сигналы. Такие устройства преобразования называют интерфейсными устройствами. По сути, они являются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Кроме того, для работы компьютера необходимо программное обеспечение, позволяющее как обрабатывать сигналы, поступающие от интерфейса, представлять полученную информацию на мониторе в желаемом виде, так и управлять объектами автоматизации в режиме реального времени.

На рис. 1 представлен компьютерный измерительный комплекс, включающий датчик измеряемой физической величины, компьютер, устройство сопряжения датчика с компьютером (интерфейс – АЦП) и программное обеспечение.

Рис. 1. Схема компьютерного измерительного комплекса

с аналоговым датчиком. Стрелками на рисунке обозначены направления информационных потоков.

При решении измерительных задач, если нет необходимости в получении максимально быстродействия, можно использовать языки программирования высокого уровня легкодоступные для понимания. Программа должна включать следующие части, имеющие различное функциональное назначение: 1) блок, обеспечивающий связь с измерителем; 2) управляющий блок; 3) визуализирующий блок (рис. 2).

Рис. 2. Структура информационных потоков

при работе с программой для компьютерного измерителя.

Программирование измерительного комплекса сводится к обработке цифрового сигнала АЦП на основе входных-выходных характеристик используемых датчиков. Кроме того, нужно обеспечить совместную работу блоков программного обеспечения и дополнительных аппаратных устройств, а также скомпоновать модули программы в один пакет, обладающий максимальным удобством для пользователя. Для измерений вполне может пригодиться программа, составленная на языке программирования Borland Pascal 7.0, которая приведена в приложении А к настоящей работе.

Принцип действия и конструкция устройства сопряжения, в нашем случае АЦП, зависят от COM-порта компьютера, на который будет приходить сигнал от АЦП. В свою очередь, правильный выбор архитектуры используемых интерфейсов обуславливает отсутствие проблем при разработке измерительного комплекса. За основу при классификации интерфейсов часто принимается критерий параллельности-последовательности передачи данных от измерительного устройства к компьютеру. В параллельном интерфейсе каждый сигнал передается по отдельной линии. Линии могут делиться на группы: шина данных, шина адреса, шина управления. Временное разделение в передаче информации применяется на уровне смены адреса и переключения направлений передачи данных. Шина данных представляет собой несколько линий, количество которых зависит от количества разрядов интерфейса. Важное ограничение при применении параллельных интерфейсов – это длина линий связи. Реализация длинных линий свыше нескольких метров при высокой пропускной способности невозможна по техническим или экономическим причинам. В отличие от параллельных, последовательные интерфейсы не имеют шин адреса, данных и управления. Преимущество таких интерфейсов в простоте коммутации, возможности создания более длинных линий связи и дешевизне. Вся информация передается по единому информационному каналу. Он может состоять всего из одной сигнальной линии и общего провода. Существенный недостаток в этом случае – это необходимость синхронизации портов через информационный канал. Последовательные интерфейсы типов RS232, RS485 и RS422 изготавливаются серийно и применяются уже достаточно долго, поэтому именно для них разработано большое количество компьютерных приборов и программ.

В нашей работе применяется изготовленный студентами последовательный интерфейс на базе микросхемы TLC1549, которая представляет собой десятиразрядный АЦП. Его схема приведена на рис. 3. Он применяться как устройство сопряжения аналоговых датчиков с компьютером. АЦП может быть подключен к COM-порту или к USB-шине компьютера с помощью адаптера USB-COM (USB to Serial Adapter) или кабеля DB9M-DB9F. В случае подключения устройства к USB-шине, необходимо будет установить специальную программу-драйвер для создания виртуального COM-порта, которая обычно поставляется производителем адаптера вместе с ним.

Описание схемы. Микросхема имеет один аналоговый вход IN. АЦП формирует на выходе напряжение от 0 до 5 В, а рабочие уровни напряжений на выводах последовательного порта составляют около 12 В. Для решения этой проблемы применены три стабилитрона D4, D5, D6 на напряжение 4,7 В и два резистора R4, R5 по 8,2 кОм каждый. Интегральный стабилизатор DA2 типа 78L05 формирует напряжение 5 В из сигнала линии TXD. Перед ним в схему включен импульсный диод D7. Входное напряжение такого АЦП не должно превышать 5 В, с учетом входного делителя R₁/R₂.

Рис. 3. Принципиальная схема аналого-цифрового преобразователя

на базе микросхемы TLC1549.

Погрешность измерения напряжения равна 0,005 В. АЦП предназначен для работы с входными напряжениями в диапазоне от 0 В до так называемого опорного напряжения 2,5 В. Если вывод REF-микросхемы TLC1549 подключен к выводу GND, то напряжение на входе IN окажется меньше напряжения на входе REF– и оно преобразуется на выходе в код, соответствующий нулю (0000000000). Если напряжение на входе IN большее напряжения на входе REF+, то оно преобразуется на выходе в число 1023 (1111111111).

Принцип действия АЦП поясняют временные диаграммы протокола связи АЦП, представленные на рис. 4.

При переходе сигнала на выводе CS микросхемы от высокого уровня к низкому уровню в регистр вывода данных помещается результат предыдущего преобразования. По этой причине после подключения устройства необходимо сначала выполнить пустое преобразование, и, следовательно, первое считанное значение выходного кода будет неверным. Каждый бит данных может быть считан на выводе DATA OUT: биты выводятся старшими разрядами вперед. Вывод осуществляется по переднему фронту импульсов на выводе I/O CLOCK. На инверсном выводе CS должен быть высокий уровень сигнала в течение всего времени преобразования (несколько десятков микросекунд).

Рис. 4. Временные диаграммы протокола связи АЦП.

Конструктивно АЦП выполнен на печатной плате, представленной на рис. 5, а его внешний вид – на рис. 6.

Рис. 5. Топологическая схема печатной платы.

Рис. 6. АЦП в бескорпусном варианте исполнения.