Разработка электронного устройства для бесконтактного измерения температуры плазмы.

     Остается  весьма узкий интервал концентраций, при котором еще возможно измерение температуры пламени методом относительных интенсивностей спектральных линий без реабсорбции. /7/ 

     1.2 Выбор и описание  структурной схемы 

     На  рисунке 1.3 приведена структурная  схема пирометра спектрального отношения. Пирометры спектрального отношения (цветовые пирометры) используют в качестве параметра отношение энергетических яркостей излучающего тела в двух спектральных интервалах (двух длин волн). 

     

     Рисунок 1.3 – Структурная схема пирометра  спектрального отношения

     

     

     

     Излучение от объекта измерения 1 попадает на фотоэлемент 4 через оптическую систему 2 (объектив с регулятором угла визирования) и обтюратор 3. Диск обтюратора имеет два отверстия, закрытые одно красным, а другое синим светофильтром. Амплитуды импульсов фототока, проходящего через фотоэлемент 4, пропорциональны интенсивности излучения в красной и синей частях спектра. После предварительного усиления (усилитель 6) импульсы попадают в электронно-решающую схему (преобразователь импульсов 7 и выходной каскад 8), где после ряда преобразований формируются в виде прямоугольных импульсов одинаковой амплитуды, но разной длительности. Длительности импульсов пропорциональны логарифмам амплитуд исходных импульсов фототока. С помощью коллекторного переключателя 5 прямоугольным импульсам (соответствующим красному и синему световым потокам) сообщается разная полярность. Тогда постоянная составляющая пропорциональна разности средних значений этих прямоугольных импульсов и, следовательно, пропорциональна логарифму отношения амплитуд исходных импульсов фототока. Обратная величина пропорциональна цветовой температуре. Постоянная составляющая напряжения, пройдя фильтр, с выхода электронного блока попадает на вход автоматического электронного потенциометра 9. На нем имеется шкала в условных делениях, и поэтому связь потенциометра и цветовой температуры устанавливается при градуировке прибора. На рисунке 1.3 блок 10 – стабилизатор напряжения, блок питания – 11.

     Устройство, построенное по этой схеме, имеет  следующие недостатки:

     - низкое быстродействие;

     - отображение температуры в условных  единицах на школе потенциометра, а представление данного параметра лучше воспринимается человеком в форме цифр;

     - большая сложность по сравнению  с термометрами и, как следствие, - меньшая надежность.

     Но  основной недостаток всех пирометров в том, что пирометры в общем случае измеряют не истинную, а некоторую условную температуру./12/ 

     В данной работе я предлагаю структурную схему устройства для бесконтактного измерения действительной температуры низкотемпературной плазмы, изображенную на рисунке 1.4.

     Схема включает в себя источник сравнения  – лампочка СИ-10-300 (1), обтюратор (2), микродвигатель (3),оптическая система и источник излучения – плазма (4), спектрограф (5), фотоэлектронный умножитель (6), микроконтроллер (7), блок индикации (8), блок уточнения данных (9).

     Устройство  питается от стабилизированных источников питания. 

     Рисунок 1.4 - Структурная схема прибора для бесконтактного измерения температуры плазмы 

     Лампочка  СИ-10-300 используется в устройстве в качестве источника сравнения, интенсивность которой используется в расчетах температуры по заданной формуле.

     Обтюратор выполнен в виде вращающегося диска  с двумя отверстиями. Одно отверстие, большего диаметра, предназначено для пропускания света от источника сравнения, а второе отверстие, меньшего диаметра, для регистрации сигнала оптопарой. Диск вращается микро-электродвигателем с постоянной скоростью 50 об/сек (400 Гц), который питается от источника питания постоянного тока. В качестве микродвигателя используется ДИД – 01. Обтюратор прерывает световой поток от источника сравнения, попеременно освещая спектрограф излучением плазмы и излучением плазмы с лампочкой. Отверстия в обтюраторе, микродвигатель и оптопара (блок уточнения данных) представляют собой блок синхронизации.

     Излучение от источника сравнения 1 попадает на щель спектрографа через оптическую систему и поток плазмы 4.

     Спектрограф (ИСП-30) с подвижной оптической системой в данном устройстве используется для разложения светового потока в спектр, чтобы можно было выделить нужную спектральную линию для данной плазмы, исходя из эталонного спектра (железо).

     

     Для исследования отдельных спектральных линий из всех существующих фотоприемников только фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) способен обеспечить требуемую чувствительность. Чувствительность этого прибора такова, что он способен принимать излучение на уровне отдельных квантов. ФЭУ также является усилителем фототока.

     Сигнал  с ФЭУ инвертируется и поступает  на микроконтроллер фирмы Motorola MC68HC705B16 со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Микроконтроллер запоминает оцифрованные данные и по заложенной программе вычисляет температуру.

     Блок  индикации предназначен для выдачи действительного значения температуры на индикаторы. В этом блоке сигнал от микроконтроллера, представленный в двоично-десятичном коде, дешифрируется и поступает на семисегментные индикаторы. Выводимое на индикаторы значение температуры представляет собой трехзначное число, поэтому, чтобы получить реальную температуру плазмы, умножаем полученный результат на 100.

     Устройство, построенное по данной структурной  схеме, лишено недостатков, присущих пирометру, реализованному по схеме на рисунке 1.3, и обладает следующими достоинствами. Обработка информации и вычисление температуры производится на одном микроконтроллере, что увеличивает скорость, обеспечивает необходимую точность и надежность измерения. Небольшое количество элементов схемы способствует повышению надежности прибора. Применение микроконтроллера облегчает вывод результата измерения на цифровой индикатор. И, наконец, главное достоинство - вычисляется истинная температура плазмы, а не какая-то условная.

     Структурная схема устройства приведена в  Приложении А. 
 
 

     1.3.5 Выбор и описание  микроконтроллера

     

     

     Так как в разрабатываемом устройстве необходимо измерять аналоговый сигнал, и в зависимости от этого регулировать ширину импульсов, воспользуемся микроконтроллером фирмы Motorola MC68HC705B16 (DD1). Структурная схема этого микроконтроллера приведена на рисунке 1.3, в своем составе он имеет встроенный восьми канальный аналого–цифровой преобразователь и двухканальный ШИМ-контроллер.

     Данный  микроконтроллер имеет следующие  параметры 

     Таблица 1.3 – параметры микроконтроллера

 

     Микроконтроллеры данного семейства (НС05) содержат на кристалле память, которую по функциональному назначению можно разделить на пять типов.

     ПЗУ программ. Используется для размещения прикладных программ пользователя.

     Статическое ОЗУ. Используется для хранения промежуточных данных прикладных программ.

     Регистры  специальных функций служат для  задания режимов работы и обмена информацией между центральным  процессором и периферийными  модулями микроконтроллера.

     ПЗУ с электрическим стиранием (EEPROM). Используется для хранения изменяемых в процессе эксплуатации конечного изделия настроек пользователя.

     ПЗУ программы встроенного монитора. Используется для предпродажного тестирования работы микроконтроллера, для загрузки исполняемого кода программы в ОЗУ микроконтроллера по последовательному порту.

     Все микроконтроллеры этого семейства  имеют объединенное адресное пространство. /1/

     регистры  специальных функций – 0000Н…001FH;

     ОЗУ – 0050H…00FFH 0250H…02FFH;

     ПЗУ – 0300H…3DFD;

     EEPROM – 0100H…01FFH;

     программа монитора – 0200H…024FH 3E00…3EFF;

     сегмент вектора прерываний – 3FF2H…3FFFH.

     

     

     Рисунок 1.13 – структурная схема микроконтроллера MC68HC705B16

     

     Выходы  OSC1 и OSC2 предназначены для подключения кварцевого резонатора. Согласно рекомендациям  /1/ в качестве дополнительных  конденсаторов С1,С2 выбираем конденсаторы К21-9а-25В-22пФ±2%, а в качестве резистора R28 используем резистор МЛТ- 0,25-1МОм±5% .

     На  второй канал АЦП будем подавать ток лампочки.  

     Описание  работы микроконтроллера

     В момент включения устройства микроконтроллер MC68HC705B16 уходит на подпрограмму инициализации прерываний портов, АЦП. Затем производится считывание в ОЗУ сигнала от лампы. Этот сигнал «Интенсивность I_Л» сначала поступает на АЦП, затем оцифровывается. После этого приходит сигнал с фотоэлектронного умножителя. Вместе с этим сигналом приходит сигнал с блока уточнения данных и МК считывает с АЦП оцифрованные данные, если сигнал не равен 0,то он запоминается в ячейке памяти, переключается в положение приема данных, и  ждет сигнал «запрос прерывания».

     С приходом сигнала «запрос прерывания», МК считывает с АЦП оцифрованные данные «Интенсивность I_ЛП», если сигнал не равен 0,то он запоминается в ячейке памяти. Получив все необходимые данные, МК сравнивает сигналы. Получив сигналы «Интенсивность I_П» и «Интенсивность I_ЛП», МК сразу же идет на подпрограмму вычисления температуры.

     Вычислив  температуру, МК переходит в подпрограмму вывода на индикатор.

     После выполнения подпрограммы вывода на индикатор  полученное значение температуры выводится через порты РА, РВ, РС на дешифратор, а затем на индикаторы.

     Программа обработки данных и вывода значения температуры на индикатор приведена в программной части (Приложение В). 
 

     1.4 Описание работы устройства 

     В качестве источника сравнения используется лампа СИ-10-300 с вольфрамовой нитью. Она излучает свет определенной интенсивности I_Л, которая измеряется и заносится в микроконтроллер перед началом измерения температуры плазмы.

     

     Свет  от источника сравнения, проходя  через обтюратор, проходит через  собирающую линзу и просвечивает плазму. Излучение плазмы, интенсивностью I_П, совместно с излучением лампочки, интенсивностью I_Л, проходят через вторую собирающую линзу, фокусируется на щели спектрографа. Для выделения нужной спектральной линии, исходя из эталонного спектра (железо), в данном устройстве используется спектрограф с подвижной оптической системой (ИСП-30). Сигнал, который поступает в спектрограф, необходимо разделять на два световых потока с интенсивностью I_Л+ I_П и I_П . Для этого в устройстве используется вращающийся диск с двумя отверстиями (обтюратор), большого и малого диаметра, расположенными у края диска. Диск приводится во вращение микродвигателем ДИД-01. Отверстие большого диаметра предназначено для пропускания светового потока от источника сравнения. Отверстие малого диаметра необходимо для датчика положения диска Д1, представляющий собой оптопару с открытым оптическим каналом щелевого типа. Эта оптопара работает на просвет. Отверстие малого диаметра на краю диска расположено таким образом, чтобы, в момент прохождения оптического сигнала от источника сравнения через отверстие большого диаметра, на микроконтроллер уже поступил сигнал от датчика, подтверждающий, что на спектрограф попадает оптический сигнал интенсивностью I_Л+I_П. Перекрывание обтюратором светового потока оптопары служит для микроконтроллера сигналом о приходе оптического сигнала интенсивностью I_П.