Разработка установки для калибровки цифрового магнитометра

4.1 Технические характеристики модулей Пельтье

Модуль Пельтье (термоэлектрический модуль, ТЭМ) представляет собой совокупность термопар соединенных параллельно между собой по току и параллельно по потоку тепла. Термопары помещаются между двух керамических пластин (рис. 4.1). Ветки напаиваются на медные проводящие площадки (шинки), которые крепятся к специальной теплопроводящей керамике, например, из оксида алюминия. Количество термопар может варьироваться в широких пределах - от нескольких единиц до нескольких сотен, что позволяет создавать ТЭМ с холодильной мощностью от десятых долей ватта до сотен ватт. Наибольшей термоэлектрической эффективностью среди промышленно используемых для изготовления ТЭМ материалов обладает теллурид висмута, в который для получения необходимого типа и параметров проводимости добавляют специальные присадки, например, селен и сурьму.

При прохождении через ТЭМ постоянного электрического тока между его гранями возникает разность температур ?T = T_h - T_c (T_h, T_c - температуры горячей и холодной граней соответственно). По сути элемент Пельтье является своебразным тепловым насосом. При использовании модуля необходимо обеспечить эффективный отвод тепла с его горячей стороны, например, с помощью воздушного радиатора или водяного теплообменника. В высококачественных серийных ТЭМ разность температур может достигать 74 ?К на одном каскаде.

Рис. 4.1. Структура модуля Пельтье

Перечислим основные параметры модулей Пельтье:

1. dT_max (?С) - это максимальная разность температур между сторонами модуля, достигаемая при идеализированных условиях: при температуре горячего спая Th, поддерживаемой равной 27 ?С, и при нулевой холодопроизводительности (Q_c=0). Значение dT_max для однокаскадного модуля зависит только от эффективности термоэлектрического вещества. Например, максимальная разность температур для отдельных экспериментальных образцов ИПФ КРИОТЕРМ достигает 76 ?С. Для многокаскадных модулей значение dT_max зависит не только от эффективности вещества, но и от числа каскадов охлаждения и конфигурации модулей. Максимальная разность температур для двухкаскадных модулей повышенной мощности составляет 83-87 ?С, а для четырехкаскадных модулей достигает 140 ?С.

2. Q_max (Вт) - холодопроизводительность при токе I = I_max и разности температур dT = T_h - T_c = 0, причем температура горячей стороны Т_h поддерживается равной 27 ?К.

3. U_max (В) - напряжение, соответствующее току I_max при разности температур dT_max

4. I_max (А) - ток, при котором достигается разность температур dT_max.

5. COP (Сoefficient Of Рerformance) - это отношение холодильной мощности модуля к электрической, потребляемой модулем, и характеризует экономичность протекающих процессов. При заданном значении тока COP практически линейно зависит от разности температур и при более малых разностях температур он выше. Для термоэлектрических устройств COP в среднем составляет 0.3-0.5, что ниже значений холодильного коэффициента компрессионных машин.

Для корректной работы модуля необходимо, чтобы через него протекал постоянный ток. Пульсации тока не должны превышать 5 %. Следует отметить, что рабочая величина тока в стационарном режиме может быть меньше своего первоначального значения примерно на 20-35 %, поскольку благодаря эффекту Зеебека величина тока зависит от разности температур.

4.2 Испытание модулей Пельтье

Для выполнения данной работы было выделено два модуля Пельтье указанного назначения. Первый из них - TEC1-127080-50 - имеет габариты 50х50х4,8 мм, 127 термоэлементов, максимальный ток I_max=8 А максимальное напряжение U_max=15,5 В_. Второй - СР1.0-127-05L- менее мощный - имеет габариты 30x30x4 мм, 127 термоэлементов, максимальный ток I_max=3,9 А максимальное напряжение U_max=15,5 В [23]. Для эффективного использования модулей необходимо определить напряжение питания, при котором достигается максимальная разность температур.

Чертеж установки для испытания первого модулей приведен на рис. 4.2. Из плотного технического пенопласта был изготовлен каркас, в котором была изготовлена рабочая камера и отверстие под модуль Пельтье. Затем модуль Пельтье с торцов покрывался силиконовым герметиком и устанавливался в подготовленное отверстие. Покрытие герметиком необходимо для устранения подсоса тепла в рабочую камеру. Затем на описанную конструкцию устанавливался радиатор. Радиатор представляет собой алюминиевую емкость, в которую с торцов ввернуты штуцера для подачи проточной воды. При этом штуцер для ввода воды располагается несколько ниже, чем штуцер для вывода. Это необходимо для обеспечения наилучшего омывания дна радиатора, то есть для более эффективного охлаждения.

Рис. 4.2. Чертеж установки для испытания модулей Пельтье

В качестве термочувствительного элемента было принято решение использовать кремниевый диод КД103А, поскольку:

· Кремниевые диоды имеют практический постоянный ТКН в диапазоне -40..+50 °С примерно равный -2 мВ/ °К

· Данный диод имеет небольшие геометрические размеры D=2мм L=3мм, что позволяет измерять температуру в точечной области.

Для удобства измерения температуры данный диод включался в схему, показанную на рис. 4.3.

Измерительный мост собран на проволочных резисторах С5-5 R3, R4, многооборотном подстроечном резисторе R5 СП2-5 и диоде VD1. Так как одним из элементов моста является нелинейный элемент, то необходимо обеспечить хорошую стабильность напряжения питания. Поскольку ток потребления мал, то в качестве стабилизатора можно использовать источник опорного напряжения (ИОН). В данной схеме установлен ИОН VR1 ISL21007 фирмы Intersil [24].

Рис. 4.3. Схема усиления сигнала с термодиода

Сигнал с диагонали измерительного моста усиливается в 50 раз инвертирующим усилителем, выполненным на базе ОУ DA1 TL071 [19] и подается на мультиметр M890G. Выбор такого коэффициента усиления обеспечивает крутизну преобразования схемы 0,1 В/1 °С

Измерения показали, что наибольшей разности температур удалось добиться при напряжении питания U = 5,1 В. При этом температура нижней грани составляла величину T_c = -9°С. В качестве нагревателя модуль Пельтье можно использовать вплоть до температуры T_h = 60 °С.

4.3 Проектирование термостата

В предыдущем параграфе было показано, что с использованием одного модуля Пельтье можно получить минимальную температуру T_c = -9°С. Для обеспечения большего коэффициента разделения температур ?T = T_h - T_c можно включить оба рассмотренных модуля Пельтье параллельно и соединить их последовательно по потоку тепла. Такой термоэлемент и применен в данной работе Рассмотрим чертеж термостата представленный на рис. 4.4. Каркас термостата изготовлен из плотного технического пенопласта, в котором вырезаны пазы под модули Пельтье и отверстие, в которое вставлена пластиковая трубка. Конструкция помещается в пластиковую емкость и заполняется монтажной пеной. После полного застывания пены трубку необходимо извлечь из системы, поскольку через нее может осуществляться подсос тепла.

Рис. 4.4. Чертеж термостата

Затем модули Пельтье покрываются с торцов силиконовым герметиком и вставляются пазы. На внутреннем модуле установлен алюминиевый стакан, который обеспечивает более эффективное распространение тепла по камере, а также приклеен клеем БФ-2 кремниевый диод КД103А. Поверхность диода была предварительно обработана надфилем для увеличения площади соприкосновения с элементом Пельтье. К внешнему модулю прикрепляется радиатор с габаритами 50x50x20, в котором изготовлена змеевидная полость для омывания проточной водой. Для придания механической прочности термостат помещен между алюминиевыми пластинами, которые стягиваются между собой шпильками.

Датчик магнитометра при калибровке вводится через верхнее отверстие, которое затем заполняется слабо теплопроводящим материалом, например поролоном или пенопластом.

4.4 Структурная схема блока управления термостатом

Структурная схема блока управления термостатом показана на рис. 4.5. Управляющим узлом блока является микроконтроллер со встроенным АЦП, ЦАП и асинхронным приемо-передатчиком(UART). АЦП преобразует выходное напряжение термодатчика в числовой код, пропорциональный температуре и затем, после пересчета, отображает его на ЖК индикаторе. Также как и в источнике тока (п. 3.3) для связи с компьютером используется мост USB-UART.

Поскольку для управления модулем Пельтье не имеет смысла использовать многоразрядные ЦАП, то в данной схеме управление модулем осуществляется при помощи встроенного в микроконтроллер ЦАП. Элементы Пельтье потребляют значительный ток, поэтому для управления ими используется мощный усилитель (У).



Рис. 4.5. Структурная схема блока управления термостатом

4.5 Принципиальная электрическая схема

Рассмотрим теперь принципиальную электрическую схему блока управления термостатом, которая изображена на рис. 4.6. В качестве управляющего микроконтроллера использовался микроконвертер DD1 ADuC847 [14], поскольку он имеет в своем составе подходящие по параметрам ЦАП и АЦП.

В качестве термодатчика в данной работе используется кремниевый диод, а в качестве усилителя сигнала выступает схема, показанная на рис. 4.3, с тем отличием, что коэффициент операционного усилителя выбран равным 19,5. При таком коэффициенте усиления АЦП микроконтроллера способен измерить температуру в диапазоне -64..+64 °С. При превышении температуры напряжение на входе АЦП выйдет за рамки динамического диапазона. Для того, чтобы этого избежать, к выходу усилителя сигнала термодиода подключен двусторонний ограничитель, собранный на элементах VD2-VD5, R8 и R9.

Для управления модулем Пельтье используется микросхема усилителя НЧ DA2 TDA7293 [25] фирмы STMicroelectronics. На данной микросхеме собран неинвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 2. Здесь также осуществлен сдвиг уровней, для того чтобы однополярным ЦАП можно было установить как положительное, так и отрицательное напряжение на модуле Пельтье.

Мост USB-UART собран на микросхеме DD2 FT232RL [22], а результаты измерения температуры выводятся ЖК-индикатор DV16100 [20].

Для питания модуля Пельтье необходим мощный источник питания. Трансформаторные блоки питания (БП) имеют большие габариты и массу, поэтому не удобны, импульсные источники избавлены от этих недостатков. За основу был взят БП от персонального компьютера серии AT мощностью 200 Вт. Типовая схема приведена в Приложении 3.

Согласно техническому описанию микросхемы DA2 для ее корректной работы требуется двуполярное напряжение В, поэтому блок питания требуется немного модернизировать

Размещено на http://www.allbest.ru/

72

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.6. Принципиальная электрическая схема блока управления термостатом

Для того, чтобы увеличить выходное напряжение заменены выпрямительные диоды в канале -12 В на более мощные КД2999А с барьером Шоттки (максимально допустимый прямой ток 20А, максимально допустимое обратное напряжение 200В), а также установлены дополнительные индуктивно-емкостные фильтры . Затем были изменены параметры цепи обратной связи, в результате чего блок питания стал выдавать требуемое напряжение.

После изменения параметров блока питания была снята нагрузочная характеристика, показанная рис. 4.6. Для этого к выходу ИБП был подключен магазин сопротивлений и цифровой вольтметр. Сопротивление нагрузки менялось от 50 Ом вплоть до срабатывания защиты блока питания, при этом контролировалось напряжение на выходе.

Рис. 4.6. Нагрузочная характеристика блока питания

4.6 Описание программы микроконтроллера

Программа для микроконтроллера написана на языке Си при помощи компилятора ProView32. Листинг программы приведен в Приложении 4. Рассмотрим алгоритм работы программы, который показан на рис. 4.7.

Размещено на http://www.allbest.ru/

72

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4.7. Алгоритм работы программы управления термостатом

При включении питания происходит инициализация контроллера, происходит настройка АЦП и ЦАП и интерфейса UART. Затем программа ожидает приема значения температуры, после которого запускается преобразование АЦП. Далее программа непрерывно опрашивает флаг готовности АЦП RDY0 [12], который устанавливается по завершению преобразования.

После завершения преобразования происходит вычисление значения температуры, которое выводится на дисплей и передается по UART. Затем, заданная температура сравнивается с измеренной и если последняя больше первой, то на модуль Пельтье подается положительное напряжение, в противном случае - отрицательное. Далее запускается следующее преобразование.

4.7 Характеристики термостата

Сначала были сняты кривые разгона термостата для различных значений напряжения на модуле Пельтье. Для этого была написана вспомогательная программа, которая принимала значение напряжения с компьютера и затем отсылала измеренные значения температуры. Установка температуры осуществлялась через программу Hyper Terminal, входящую в состав операционной системы Windows. Полученные характеристики представлены на рис. 4.8.



Рис. 4.8. Кривые разгона термостата

Видно, что скорость изменения температуры в режиме нагревания выше, чем в режиме охлаждения. Также заметно, что для повышения температуры на 20 °С требуется подать напряжение |U| = 2 В, а для понижения на такое же значение |U| = 3 В. Тогда можно оценить КПД термоэлемента:

Типичное значение КПД однокаскадного модуля составляет . Далее были сняты зависимости температуры от времени для основной программы. Вид полученных зависимостей для значений устанавливаемой температуры T₀ = 5, 0, -5 °С представлены соответственно на рис. 4.9, рис. 4.10 и рис. 4.11.



Рис. 4.9. Стабилизация температуры T₀ = 5 °С

Рис. 4.10. Стабилизация температуры T₀ = 0 °С



Рис. 4.10. Стабилизация температуры T₀ = -5 °С

Из полученных зависимостей видно, что среднее значение температуры практически совпадает с установленной, а амплитуда колебаний составляет величину °С.

Заключение

В результате работы были изготовлены элементы установки для калибровки цифрового магнитометра. Источник тока позволяет задать ток в измерительной катушке в диапазоне от -200 мА до 200 мА. Применив более мощные операционные усилители можно расширить диапазон выходных токов, а также уменьшить его внутреннее сопротивления.

Термостат способен стабилизировать температуру в диапазоне -15..+60 °С. Температуры -40 °С добиться не удалось, поскольку были применены стандартные модули Пельтье. Промышленные модули обладают более высокой мощностью и коэффициентом разделения температур, поэтому предпочтительнее было бы использовать их. Также большей эффективности можно было бы достичь, применив многокаскадный модуль. К сожалению ни промышленный, ни многокаскадный модуль получить не удалось.

Также произведен расчет трехкомпонентной катушки с компенсацией магнитного поля земли и подготовлены материалы для отправки заказа на завод. Такая катушка не позволяет установить поле более чем 1 мТл, но при данной напряженности погрешности датчика Холла уже не столь существенны, и для калибровки можно использовать длинный соленоид.

Литература

1. Коновалов Г. Ф. Радиоавтоматика. - М.: Высшая школа, 1990. - 336 с.

2. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления/ Пер. с англ. Б.И. Копылова. - М.:Лаборатория базовых знаний, 2002. - 832 с.

3. Первачев С. В. Радиоавтоматика. - М.: Радио и связь, 1982. - 296 с.

4. Попов Е.П. Теория линейных систем автоматического регулирования и управления. Учебное пособие. - М.: Наука, 1989. - 304 с.

5. Первозванский А.А. Курс теории автоматического управления: Учебное пособие. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 616 с.

6. Куропаткин П.В. Теория автоматического управления. - М.: Высшая школа, 1973. - 507 с.

7. Игнатьев В.К. Способ уменьшения погрешностей Холловского магнитометра. Патент РФ №2311655, 2007. 5 с.

8. Кучис Е.В. Гальваномагнитные эффекты и методы их исследования. М.: Радио и связь, 1990. 264 с.

9. Игнатьев В.К. Отчет о выполнении НИОКР «Разработка образца портативного Холловского магнитометра (государственный контракт №4167р/6542 от 26.06.06). 2007. 82 с.

10. Файн В.М., Ханин Я.И. Квантовая радиофизика. М.: Советское радио, 1965. с. 126.

11. Игнатьев В.К., Протопопов А.Г. // Приборы и техника эксперимента. 2003, № 4. с. 116 - 120

12. Чхиквадзе Т. И., Шифрин В. Я. Трехкомпонентные катушки магнитной индукции с увеличенным рабочим объемом //Геофизическая аппаратура. 1979. Вып. 69. С. 73-81

13. Методика поверки рабочих средств измерений магнитной индукции постоянного поля в диапазоне Тл, Издательство стандартов 1979 г.

14. Техническое описание микроконвертера ADuC847. - http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/ADUC845_847_848.pdf

15. Техническое описание операционного усилителя L2722. - http://www.datasheetarchive.com/pdf/1934048.pdf

16. Техническое описание инструментального усилителя INA163. - http://www.ortodoxism.ro/datasheets/ texasinstruments/ina163.pdf

17. Техническое описание цифро-аналогового преобразователя DAC8550. - http://www.ti.com/lit/gpn/dac8550.pdf.

18. Техническое описание микросхемы X60003 -http://www.intersil.com/data/fn/fn8137.pdf

19. Техническое описание операционного усилителя TL071 -http://www.ti.com/lit/gpn/tl071.pdf

20. Техническое описание дисплея DV16100 - http://www.gaw.ru/pdf/lcd/lcm/Data_Vision/char/dv16100.pdf

21. Техническое описание микросхемы ADUM1401 -http://www.analog.com/UploadedFiles/ Data_Sheets/ADUM1400_1401_1402.pdf

22. Техническое описание микросхемы FT232 - www.ftdichip.com/Documents/DataSheets/DS_FT232R.pdf

23. Технические характеристики модулей Пельтье -http://www.chipindustry.ru/library/DOC000053443.pdf

24. Техническое описание микросхемы ISL21007 - www.intersil.com/data/fn/FN6326.pdf

25. Техническое описание микросхемы усилителя НЧ TDA7293 - http://cxem.net/download/get?cat=doc/amp&file=tda7293.rar

Приложение 1

Листинг программы для источника тока

#include <aduc845.h>

#include <stdio.h>

#include <dv16100.c>

void set_curr(void);

sbit plus = 0xB6;

sbit minus = 0xB7;

sbit dac_data = P0^7;

sbit dac_sync = P0^6;

sbit dac_sclk = P0^5;

float fTemp;

int step = 0xFF;

int delay = 0;

int current = 0;

unsigned char buf[16];

unsigned char i;

int main()

{

PLLCON = 0 ;

PSW = 0;

SP = 0x30;

SF = 0xFF;

EA = 0;

ADC0CON2 = 0x4A;

ADC0CON1 = 0x8F;

ADCMODE = 0x22;

P0 = 0xFF;

dv_init();

set_curr();

while (1)

{

if (RDY0 == 1)

{

RDY0 = 0;

dv_command(0x80);

fTemp = ((ADC0H << 16) |(ADC0M<<8)|ADC0L);

fTemp /= 0x800000;

fTemp--;

fTemp *= 250;

sprintf(buf, "%f", fTemp);

for (i = 0; i < 7; i++)

{

dv_data(buf[i]);

}

ADCMODE = 0x22;

}

if (++delay >=25000)

{

delay = 0;

if ((plus == 0) && (minus == 1))

{

if (current <= 0x7FFF - step)

{

current +=step;

set_curr();

}

}

if ((plus == 1) && (minus == 0))

{

if (current >= -0x7FFF + step)

{

current -=step;

set_curr();

}

}

}

}

return 0;

}

void set_curr(void)

{

unsigned int temp, mask, iTemp;

char cnt;

dac_sync = 0;

dac_data = 0;

for (cnt = 0; cnt < 8; cnt++)

{

dac_sclk = 0;

dac_sclk = 1;

}

mask = 0x8000;

for (cnt = 0; cnt < 16; cnt++)

{

temp = current & mask;

if (temp == 0)

{

dac_data = 0;

}

else

{

dac_data = 1;

}

dac_sclk = 0;

dac_sclk = 1;

mask = mask >> 1;

}

dac_sync = 1;

}

Приложение 2

Листинг программы драйвера ЖК-индикатора

#include <intrins.h>

sbit DV_RS = P2^0;

sbit DV_RW = P2^1;

sbit DV_E = P2^2;

void dv_delay20ms(void);

void dv_delay200mks(void);

void dv_halfcommand(unsigned char);

void dv_command(unsigned char);

void dv_data(unsigned char);

void dv_impulse(void);

void dv_init()

{

P2 = 0;

dv_delay20ms();

dv_delay20ms();

dv_delay20ms();

dv_delay20ms();

dv_halfcommand(0x30);

dv_delay20ms();

dv_halfcommand(0x30);

dv_delay20ms();

dv_halfcommand(0x30);

dv_halfcommand(0x20);

dv_command(0x28);

dv_command(0x08);

dv_command(0x01);

dv_delay20ms();

dv_command(0x06);

dv_command(0x0C);

}

void dv_halfcommand(unsigned char cmd)

{

cmd = cmd & 0xF0;

P2 = cmd;

dv_impulse();

dv_delay200mks();

}

void dv_command(unsigned char cmd)

{

unsigned char temp;

temp = cmd;

cmd = cmd & 0xF0;

P2 = cmd;

dv_impulse();

dv_delay200mks();

temp = temp << 4;

temp = temp & 0xF0;

P2 = temp;

dv_impulse();

dv_delay200mks();

}

void dv_data(unsigned char cmd)

{

unsigned char temp;

temp = cmd;

cmd = cmd & 0xF0;

P2 = cmd;

DV_RS = 1;

dv_impulse();

dv_delay200mks();

temp = temp << 4;

temp = temp & 0xF0;

P2 = temp;

DV_RS = 1;

dv_impulse();

dv_delay200mks();

}

void dv_impulse()

{

_nop_();

DV_E = 1;

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

DV_E = 0;

_nop_();

}

void dv_delay20ms()

{

unsigned char i, j;

for (i = 0xFF; i > 0; i--)

{

for (j = 0xFF; j > 0; j--)

{

;

}

}

}

void dv_delay200mks()

{

unsigned char i, j;

for (i = 3; i > 0; i--)

{

for (j = 0xFF; j > 0; j--)

{

;

}

}

}

Приложение 3

Типовая схема блока питания серии AT

Размещено на http://www.allbest.ru/

72

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приложение 4

Листинг программы для блока управления термостатом

#include <aduc845.h>

#include <stdio.h>

#include <dv16100.c>

float Temperature;

float Temp;

unsigned int iTemp;

unsigned char buf[16];

unsigned char i, h, l;

int main()

{

// int tmp;

PLLCON = 8;

SP = 0x30;

SF = 0xFF;

dv_init();

ADC0CON2 = 0x4A;

ADC0CON1 = 0x8F;

ADCMODE = 0x22;

T3CON = 0x81;

T3FD = 0x2D;

SCON = 0x52;

DACCON = 7;

DACH = 8;

DACL = 0;

printf("\nВведите температуру");

scanf("%f", &Temperature);

while (1)

{

if (RDY0 == 1)

{

RDY0 = 0;

Temp = (ADC0H << 8) | ADC0M;

Temp /=32768;

Temp--;

Temp*=64;

sprintf(buf, "T=%.3f", Temp);

printf("\n%.2f", Temp);

if (Temp > Temperature)

{

DACH = 15;

DACL = 255;

}

else

{

DACH = 4;

DACL = 204;

}

dv_command(0x01);

dv_delay20ms();

for (i = 0; i < 7; i++)

{

dv_data(buf[i]);

}

ADCMODE = 0x22;

}

}

return 0;

}

Размещено на Allbest.ru