ВВЕДЕНИЕ 4
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ОСОБЕННОСТЕЙ ЕЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССАХ В ЖИДКИХ СРЕДАХ 6
1.1. Обзор существующих методов измерения температуры 6
1.2. Сравнительный анализ методов измерения температуры 44
1.3. Специфика протекания множественных химических реакций и важность прецизионного измерения физико-химических параметров нестационарных процессов 49
1.4. Выбор метода измерения температуры для заданных условий 50
Выводы по разделу 50
2. ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ И ПРОГРАММНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПРИБОРНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗМЕРИТЕЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СУСПЕНЗИИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПРОЦЕССАХ В УСЛОВИЯХ МНОЖЕСТВЕННЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ 51
2.1. Условия работы измерительного прибора 51
2.2. Обзор существующих методов преобразования сигнала датчика температуры в цифровой код 51
2.3. Выбор аналого-цифрового преобразователя для заданных условий 62
2.4. Обзор программных продуктов для приема, записи и машинной обработки результатов измерений. Выбор среды программирования 73
Выводы по разделу 91
3. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА НА ОСНОВЕ ПРЕДЛОЖЕННЫХ РЕШЕНИЙ 92
3.1. Выбор типа датчика и способа устранения нелинейности его температурной характеристики 92
3.2. Разработка структурной схемы измерительного прибора 93
Выводы по разделу 94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 96
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 98
В практике лабораторных физико-химических исследований возникает постоянная необходимость осуществления температурных измерений с достаточно высокой точностью. При этом современные методы проведения эксперимента требуют задействования средств вычислительной техники не только для обработки результатов, но и для записи показаний датчиков.
Методика и устройства сопряжения различных измерителей температуры с портами персонального компьютера, а также несложные программы, с определенной периодичностью реализующие опрос датчиков и фиксацию в цифровой форме измеренных значений, разработаны достаточно хорошо и в полной мере могут удовлетворить потребности практически любого лабораторного эксперимента. Более того, когда разработанный метод химического синтеза или другой процесс, приводящий к химическим превращениям, становится «на конвейер», то есть переносится из лаборатории в крупное производство, лабораторные методы измерения температуры практически без изменений можно задействовать в непрерывных или достаточно частых периодических измерениях в заводских условиях.
Основные требования, предъявляемые к профессиональным измерителям температуры химических реакций – высокая точность измерений, взаимозаменяемость датчиков и их малая инерционность [26]. Современная электронная промышленность располагает богатым набором электрических и электронных термометров с различными принципами действия. Когда речь идет о диапазоне «умеренных» температур (приблизительно от –40 до +125 ºС), с выбором датчика не возникает трудностей, поскольку практически все известные чувствительные элементы термометров работоспособны в данном диапазоне [3]. В настоящее время разработаны дешевые и точные датчики аналоговых и цифровых термометров, которые обладают различными свойствами и находят применение практически во всех сферах человеческой деятельности.
Задачей настоящей магистерской диссертации является разработка электронного термометра для измерения температуры суспензии при нестационарных процессах в условиях множественных химических реакций. Отличительной особенностью такого термометра, помимо приведенных выше требований, является работа как раз в умеренном диапазоне температур. Поэтому первоочередной задачей разработки должен стать оптимальный выбор температурного датчика из всего многообразия вариантов. Для этого в первой главе настоящей работы будет проведен анализ различных электрических методов измерения температуры и датчиков на их основе. Далее, с учетом особенностей среды и условий проведения измерений, будет выбран конкретный измерительный преобразователь.
Вторая глава будет посвящена анализу и выделению особенностей методов и приборов преобразования аналогового электрического сигнала в цифровую форму, а также сред программирования, позволяющих выполнить оптимальное сопряжение аппаратной и программной части разрабатываемого измерительного комплекса. На основе анализа будет выбран оптимальный метод и схема для аналого-цифрового преобразования и наиболее удобное программное средство для написания программы обработки сигнала.
В третьей главе будет произведена прикладная реализация обоснованного в предыдущих двух главах термометра. Разработка структурной и принципиальной схем прибора завершится экспериментом по проверке его практических характеристик.
В настоящей магистерской диссертации был разработан и реализован аналогово-цифровой измеритель температуры суспензии при нестационарных процессах в условиях множественных химических реакций.
В первом разделе настоящей работы был выполнен сравнительный анализ существующих электрических методов измерения температуры применительно к рассматриваемой специфической области работы разрабатываемого термометра. Было показано, что для измерения температуры жидкостных сред при протекании в них множественных химических реакций и наличии нестационарных процессов наилучшие результаты в плане точности и динамики измерений могут дать компактные NTC-терморезисторы, включенные в измерительную схему с преобразованием аналогового сигнала в цифровую форму и его дальнейшим анализом, обработкой и записью в ЭВМ.
Во втором разделе магистерской диссертации произведен анализ двух основополагающих составляющих будущей разработки специализированного измерителя температуры: его аппаратной (электронной) части – аналого-цифрового преобразователя, и программного обеспечения.
На основе рассмотрения различных принципов построения АЦП для реализации прибора обоснована и выбрана схема сигма-дельта АЦП. Из многообразия схемотехнических решений данного типа преобразователей выбрана схема с 24-разрядным АЦП, интегратором, компаратором, ЦАП в петле обратной связи, фильтром нижних частот и дециматором.
Из ряда существующих объектно-ориентированных визуальных инженерных сред программирования выбрана система LabVIEW компании National Instruments (NI). Вкратце рассмотрены особенности работы с системой. Также обоснованы последующие схемотехнические решения при реализации термометра.
В третьем, заключительном разделе работы была выполнена практическая реализация специализированного аналого-цифрового измерителя температуры с применением схемотехнических и программных решений, обоснованных в предыдущих разделах: датчика на основе термистора с отрицательным ТКС, сигма-дельта АЦП, инженерной среды программирования LabVIEW и персонального компьютера. Испытания разработанного прибора показали его высокую эффективность в данной области практического применения.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
