Першенков П.П., Тюрин Е.А., Башкиров О.В.

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ В СИСТЕМЕ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Рассматриваются вопросы разработки автоматизированной установки для измерения вакуума с авто-

матическим выбором предела измерения.

Развитие вакуумных измерений (измерений низких абсолютных давлений, газовых потоков, вакуумной

проводимости, а также плотности потока и быстроты откачки) в последние годы характеризуется

стремлением к разработке таких методов и приборов, которые решили бы задачу единства измерений с

достаточной метрологической точностью. В метрологии низких давлений указанная тенденция вырази-

лась в широко проявившемся интересе к мобильным, простым по конструкции и в обслуживании вакуум-

метрическим установкам.

В аналогичных приборах [1] определения давления необходимы градуировочные кривые датчиков, что

вносит неудобство в эксплуатацию прибора. В предлагаемой конструкции вакуумметра используется

микроконтроллер (МК), позволяющий автоматически линеаризовать передаточную характеристику датчи-

ка, упростить конструкцию, уменьшить габариты прибора и вместе с тем улучшить эксплуатационные

характеристики измерителя как с метрологической точки зрения, так и с эксплуатационной.

Принцип действия большинства манометров (приборов для измерения давления) не являются абсолют-

ными и их действие основано на использовании того или иного физического свойства газа (например,

теплопроводности), которое определенным законом связано с давлением газа. Шкалы таких манометров

нелинейны. Требуется специальная градуировка, в процессе которой опытным путем устанавливается

связь между показанием манометра и давлением разреженного газа. Благодаря использованию МК стало

возможным упростить систему автоматического выбора датчика и предела измерения. Применение цифро-

вого интерфейса связи датчика и основного блока дало возможность увеличить число датчиков. Ис-

пользование МК позволило работать вакуумметру с различными типами датчиков, имеющих различные

градуировочные характеристики.

При изготовлении электровакуумных приборов приходиться иметь дело с измерением давлений газов,

лежащих в очень широком диапазоне — от атмосферного до 10-8 мм.рт.ст. и ниже. Манометров с таким

широким диапазоном не существует и необходимо использовать нескольких типов измерителей:

теплоэлектрические – 101-10

-4 мм.рт.ст.

электроразрядные – 10-3-10

-13 мм.рт.ст.

В предлагаемой конструкции вакуумметра используется основной блок [2], производящий сбор и

отображение результата измерения на ЖК дисплее, и комплект датчиков со встроенным МК (интеллекту-

альные датчики), рисунок 1.

Рисунок 1. Блок схема измерителя давления с "интеллектуальными" датчиками.

В "интеллектуальных" датчиках используются специально разработанные для прецизионных измерений

МК со встроенным 24-разрядным АЦП.[3] Основа такого МК именно АЦП, а не ядро, что принципиально

отличает его от универсального МК, имеющего встроенный АЦП как часть аналоговой периферии.

Главная область применения "аналоговых" МК – точные аналоговые измерения, поэтому их произво-

дители всеми силами добиваются улучшения характеристик АЦП. Сюда относится наличие на кристалле

средств развязки цифровой и аналоговой частей по цепям синхронизации, питания и общего провода,

продуманное схемное и топологическое построение всего устройства с размещением аналоговых и циф-

ровых узлов в разных зонах кристалла (и на плате целевой системы). Встроенный модуль АЦП в "ана-

логовом" МК функционирует в окружении вспомогательных периферийных узлов (входные аналоговые бу-

феры и мультиплексоры, программируемые инструментальные усилители, высокостабильные источники

образцового напряжения (ИОН), программируемые цифровые фильтры, встроенные температурные датчи-

ки), значительно расширяющих его возможности. Для модуля АЦП производителем предусмотрены, как

правило, встроенные средства калибровки, использование которых позволяет скомпенсировать влияние

дестабилизирующих факторов окружающей среды на характеристики преобразователя.

Необходимо заметить, что АЦП "аналоговых" МК по своим характеристикам не уступают прецизионным

АЦП, выполненным в виде отдельных микросхем. При этом стоимость "аналоговых" МК сопоставима со

стоимостью МК универсальных. Функционально "аналоговый" МК полностью заменяет до трех отдельных

устройств (универсальный МК, микросхема АЦП и микросхема ИОН), чем достигается существенный выиг-

рыш по размерам, стоимости и потребляемой мощности.

Подобные МК, выпускаемые одним из ведущих производителей аналоговой элементной базы Texas In-

struments и названные производителем "прецизионными АЦП и ЦАП с ядром 8051 и FLASН памятью на

одном кристалле".

В используемом МК имеются: до восьми дифференциальных несимметричных аналоговых входов; про-

граммная калибровка смещения и коэффициента усиления; встроенный датчик температуры; входной бу-

фер АЦП, подключаемый программно; аппаратный обнаружитель обрыва в цепи внешнего датчика; два 16

разрядных ЦАП с возможностью программного выбора выходной величины (напряжение или ток); вось-

миразрядный ЦАП с токовым выходом.

ЦАП

АЦП

МК

ЦАП

АЦП

МКДатчик

Датчик

Шинаданных

Датчик №1

Датчик №n

Блокобработки

и управленияДисплей

Основной блок

Процессорное ядро МК имеет систему команд, совместимую с МК семейства 8051, однако один ко-

мандный цикл выполняется за четыре, а не за 12 тактов. Максимальная тактовая частота ядра 33 мГц.

Имеются система ФАПЧ с возможностью синхронизации от внешнего резонатора на 32 кГц и двойной ре-

гистр указатель данных.

Опытный образец такого прибора был разработан и испытан в лабораторных условиях, а также про-

изведены расчеты погрешности измерительной части прибора, которая оказалась значительно ниже по-

грешности применяемых датчиков, что даѐт возможность при использовании более совершенных датчиков

повысить точность измерения давления в целом.

Литература 1. Евстифеев В.В., Крылов Н.М., Першенков П.П., Съедин Н.М. Вакуумметр ионизационно – термопар-

ный, автоматический. / Н.Т.К. с участием зарубежных специалистов. «Вакуумная наука и техника», Гур-

зуф, октябрь 1994г.

2. Трамперт В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR-микроконтроллеров.: Пер. с

нем. - К.: «МК-Пресс», 2006. - 208 с.

3. Белов А.В. Конструирование устройств на микроконтроллерах. - Спб.: Наука и Техника, 2005. -

256 с.