| |||||
МЕНЮ
| Аналитические весыАналитические весыСОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА Идея создания электронных лабораторных весов аналитичес- кого класса точности (до 0.0001 г) возникла после посещения нами презентации Казахстанского представительства фирмы "Metler-Tolledo" (США-Швецария), проведенной в городе Рудный в мае 2000 года на базе акционерного общества Соколовско-Сарбайское горно-производ- ственное объединение (АО ССГПО). Представленные на ней аналитические электронные лабораторные весы имели очень высокую стоимость и, по понятным причинам, не мог- ли быть приобретены нами. У персонала презентующего продукцию этого всемирно известного производителя весов нам удалось установить толь- ко то, что измерительный узел представляет собой тензодатчик вы- сокой точности, стоимость которого составляет 3/4 всего изделия. Точность - это визитная карточка данной фирмы, так например у закупленных АО ССГПО железнодорожных весов точность составляет 400 грамм, которая при существующих требованиях стандарта к точ- ности данного класса весов в 1% представляется просто фантастичес- кой. Объем литературных источников по этому вопросу весьма скуден и ограничен, в основном, общими знаниями. Из работы [1] мы выяс- нили, что тензодатчик аналитического класса точности представляет собой объемную конструкцию из шайб сплавов редких и драгоценных металлов, обладающих свойством изменения электрических параметров, например сопротивления, при малейших механических воздействиях на них. Весьма непростыми являются при этом и устройства измере- ния, так как определяемый параметр изменяется не только от меха- нического воздействия, но и от целого ряда других параметров, са- мым определяющим из которых является температура. Мы смогли най- ти только тензорезисторы, изготовленные из меди, которые обладают недостаточной чувствительностью к небольшим изменениям внешнего давления на них, поэтому от этого подхода мы отказались сразу. Малопривлекательными для изготовления в условиях школы по- казались нам и электронно-механические виды аналитических весов, в которых система противовесов и кодовых шкал с компенсторами [1] просто не могла быть воспроизведена вне лаборатории точной ме- ханики и оптики. В процессе анализа литературных источников нам пришла идея использования для взвешивания силы взаимодействия магнитного и электрических полей. Так например, если на магните расположить катушку, на которую положено взвешиваемое вещество, то при про- пускании через нее постоянного тока, заранее определенной поляр- ности, вокруг катушки возникает противоположно направленное элек- трическое поле и при определенной величине тока вес вещества бу- дет преодолен и нам остается только выполнить исследование зависи- мости вес - величина электрического тока. Однако весы данной конструкции имеют один недостаток - не- возможность взвешивания материалов обладающих магнитной индукци- ей, например железных стружек, но список таких материалов незначи- телен и им можно пренебречь. СТРУКТУРА ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ Структура электронных аналитических весов с магнитно-элек- рическим датчиком веса должна безусловно включать в себя микро- контроллер для обеспечения быстрого подбора значения электричес- кого тока, достаточного для преодоления веса. В настоящее время спектр таких изделий очень широк, но мы выбрали однокристальную электронную вычислительную машину (ОЭВМ) КР1816ВЕ51 [3,4], исхо- дя из следующих соображений: 1) компактность исполнения - практически весь спектр воз- можностей вычислительной машины скомпанован в одной микросхеме; 2) высокое быстродействие - 1000000 операций в секунду; 3) достаточно большой объем внутренней памяти для программы пользователя - 4 кБ; 4) наличие коммуникационного последовательного программи- руемого порта для связи с IBM-совместимым компьютером, что очень важно как с точки зрения отладки программного обеспечения аналити- ческих веов, так и с точки зрения внешнего управления ими, хра- нения и статистической обработки производимых взвешиваний; 5) двухуровенная система обработки прерываний для обслужива- ния событий от шести источников запросов, например поднятие навес- ки; 6) простой ввод/вывод 32-х дискретных сигналов (есть сиг- нал - 5 В, нет сигнала - 0 В); 7) два встроенных таймера для точного отслеживания малых и больших временных интервалов, независимо от действий выполняемых в данный момент программой; 8) достаточно простой Ассемблер с широкими возможностями в области арифметики и логики; 9) наличие в нашем распоряжении компилятора Ассемблера и ком- поновщика программ для автоматизированного создания аппаратно ори- ентированного программного кода; 10) наличие программы-симулятора, имитирующего выполнение команд ОЭВМ КР1816ВЕ51, на IBM-совместимом компьютере и облегчающем поиск ошибок; 11) наличие IBM-совместимого программатора фирмы "Хронос" (Россия) для прошивки программного кода во внутреннюю память прог- рамм микросхемы КР1816ВЕ51; К недостаткам ОЭВМ КР1816ВЕ51 можно отнести недостаточное ко- личество портов ввода/вывода сигналов, всего 32. Беглый подсчет пот- ребного количества сигналов показывает, что нам необходимы: а) 21 выходной сигнал для подбора цифрового аналога токового сигнала, чтобы обеспечить аналитическую точность в диапазоне веса 0...200 г; б) 12 выходных сигналов для вывода значения полученного веса на табло аналитических весов из семи семисегментных цифробуквенных светодиодных индикаторов и светодиода десятичной точки; в) 4 входных сигнала управления режимами работы аналитических весов ("Тара","Однократное взвешивание", "Многократное взвешивание" и "Температура") г) 2 входных сигнала для датчиков подьема катушки весов и температуры воздуха; д) входной и выходной сигналы для двухстороннего сопряжения аналитических весов с IBM-совместимым компьютером; е) выходной сигнал индикации работы аналитических весов. Таким образом нам недостает, как минимум, 10 сигналов для успешной реализации схемы на выбранной ОЭВМ. Можно было бы пойти по пути установки двух ОЭВМ в одном изделии с разделением функций между ними, но этот подход дорогостоящ и расточителен, поэтому мы решили использовать недорогую микросхему КР580ВВ55А (программирумый параллельный адаптер (ППА) [3]) для расширения адресуемых портов с 32 до 45. ОЭВМ КР1816ВЕ51 будет передавать данные в 3 порта микросхемы КР580ВВ55А через один из своих портов (рис. 1), для выбора номера интересуемого порта и стробирования обращения к ППА необходимы еще 3 вывода. Если запрограммировать микросхему только на вывод, то нет нужды в подключении к ОЭВМ выводов чтение (RD) и запись (WR) ППА, так как их можно зафиксировать сигналами c блока питания через ре- зисторы, нормирующие допустимый для микросхемы входной ток. На выводы 3-х портов КР580ВВ55А (рис. 1), поскольку она бу- дет запрограммированна только на вывод, лучше всего подключить уст- ройство цифроаналогового преобразователя (ЦАП), то есть устройство, преобразующее цифровой код в токовый аналог, например, код 1388h (де- сятичное число 5000) в ток величиной 0,5 А. Кроме того непосредственно к вводам ОЭВМ (рис. 1) должны быть подключены: датчик подьема веса (ДП); датчик температуры (ДТ) для более точного подбора токового аналога в диапазоне рабочих темпера- тур весов; согласователь интерфейсов (СИ) последовательных портов ОЭВМ и IBM-совместимого компьютера; коммутатор цепи цифроаналогового преобразователя (КЦ) для предотвращения негативных последствий от длительного воздействия сильных токов на низкоомную катушку устрой- ства взвешивания (УВ); пульт индикации и управления (ПИУ). Более подробно каждому из них будет посвящен отдельный параграф работы. Структурная схема химических аналитических весов совмещена с принципиальной электрической схемой подключения ОЭВМ КР1816ВЕ51 и ППА КР580ВВ55А, на которой питание к микросхемам подается на вы- воды VCC (5 Вольт) и GND ("земля") [3]. Тактовая частота работы ОЭВМ (D1) задается кварцевым резона- тором ZQ1 (6 или 12 мГц). Цепочка R1, C3 предназначена для переда- чи управления по адрусу 000 ОЭВМ КР1816ВЕ51 и инициализации микро- схемы при включении питания. Так, сразу после включения питания емкость C3 заряжается и этот заряд "стекает" с обкладки со знаком "-" через резистор R1; номиналы резистора и емкости этой цепи по- добраны таким образом, чтобы удержать потенциал больший 2,5 В в те- чение не менее 5 микросекунд, что достаточно для инициализации микросхемы D1. Аналогичным способом может быть выполнена автоини- циализация микросхемы D2, но мы "жестко" зафиксировали вывод пере- запуска (RST) на "землю", чтобы единственно возможным способом ее работы стало выполнение команд ОЭВМ КР1816ВЕ51. Емкость C4 играет роль фильтра высокочастотных помех по пи- танию, а резистор R2 устанавливает на входе EA ОЭВМ "высокий" по- тенциал, соответствующий избранности внутренней, а не внешней па- мяти программ. Все выводы порта P0 ОЭВМ через токоограничивающие резисторы R4,R5,...,R11 (1.8 кОм) подключены к питанию + 5 Вольт из-за осо- бенного исполнения этого порта ("с открытым коллектором"). Напри- мер, если на выводе P0.0 транзистор микросхемы D1 закрыт, то на выходе значение единичного сигнала поддерживается внешним питанием +5В, а в открытом состоянии (коммутация на общий провод через тран- зистор микросхемы D1) потенциал линии падает до нудевого значения. Поскольку микросхема D2 предназначена для работы только на вывод данных, то режим чтения (RD) "жестко" избран неактивным, посред- ством подключения этого вывода, через токоограничивающий резистор R12 (1.8 кОм) к питанию +5В, а режим избранности микросхемы (CS) - активным, подключением его к общему проводу, так как это един- ственная избираемая в устройстве весов микросхема. Адрес одного из четырех портов микпосхемы D2 (3 - порт программирования режима ее работы CW, 2 - порт С, 1 - порт В и 0 - порт А) избирается не- посредственно с выводов P2.4 и P2.5 ОЭВМ. Исполнение команд про- изводится при переходе сигнала записи (WR) с потенциала +5В к ну- левому потенциалу с вывода P2.6 ОЭВМ КР1816ВЕ51. Временная диаграмма вывода данных в один из избранных портов микросхемы КР580ВВ55А в режиме 0 приведена на рис. 1а [3]. Микро- схема КР580ВВ55А имеет три режима обмена: 0, 1 и 2, из которых нам подходил только нулевой режим, при котором однонаправленный вывод производится через любой из портов без каких либо сигналов сопро- вождения (без квитирования) и выходная информация защелкивается в выходной буфер порта по срезу сигнала WR и остается на выходе это- го порта до следующего изменения. __ t WR +5В 0В __ +5В CS 0В +5В D 0В +5В A0,A1 0В +5В А,В,С,CW 0В Рис. 1а. Временная диаграмма вывода данных через порт А, В, С или CW микросхемы КР580ВВ55А На этой диаграмме черточкой сверху обозначены сигналы, актив- ные при нулевом потенциале, Н - образный переход сигналов означает, что если сигналы изменяются, то они должны быть изменены сдесь. Вре- мя t мы подобрали экспериментально, и оно должно быть не менее 2-х микросекунд, точное время между остальными сигналами не имеет ника- кого значения - важна лишь их точная последовательность. БЛОК ПИТАНИЯ В настоящей работе мы стремились к максимальному использованию известных и хорошо зарекомендовавших себя разработок, доступных нам через открытые литературные источники. Так например, электрическая принципиальная схема излучателя инфрокрасного диапазона заимствована нами из принтера СМП 6327 [5], а приемника - из схемы бытового теле- визионного приемника [6], включая также и простое заимствование бло- ка питания из списанного накопителя на пятидюймовых гибких магнитных дисках ЕС5321М советского производства [7], достаточно мощного и на- дежного, принципиальная электрическая схема которого представлена на рис. 2. В этой схеме переменное напряжение 220 В через выключатель и предохранитель FU1 (1 А) поступает на первичную обмотку трансформа- тора ТПП288-220-50. Из нескольких вторичных обмоток этого трансфор- матора набираются выходные напряжения переменного тока в 19 и 7 Вольт, которые подаются на два диодных моста, собранных из кремни- евых диодов КД205В. На выходе с диодных мостов мы имеем выпрямленные постоянные напряжения со значительными пульсациями, для подавления которых в цепь параллельно мостам диодов включены электролитические емкости: С1 (10000 мкФ 50 В) и С2 (2000 мкФ 50 В). В момент времени когда с выхода диодного моста напряжение возрастает емкости заряжа- ются, а когда напряжение начинает снижаться стекание заряда с обкла- док электролитического конденсатора сглаживает проявление этих пуль- саций на входе стабилизаторов, собранных на резисторах R1, R2 (1 Ом), емкостях С3...С6 (0,1 мкФ), транзисторах VT1, VT2 (КТ818БМ), микро- схемах D1 (КР142ЕН8Б), D2 (КР142ЕН5А и емкостях С7, С8 (200 маФ). Принцип работы стабилизатора следующий: микросхема D1 (D2) управляет током, протекающим через малоомный резистор R1 (R2), тем самым изменяя смещение перехода база-эмитер транзистора VT1 (VT2) и поддерживая на его выходе стабильное значение требуемого для наг- рузки выходного напряжения питания 12 (5) Вольт. Наличие мощных транзисторов VT1 и VT2 вызвано требованиями обеспечения больших то- ков, необходимых в накопителе на гибких магнитных дисках [7] при запуске его двигателей. Такой блок питания наиболее оптимально под- ходит и для аналитических весов, в которых также наблюдается крат- ковременные всплески потребления больших токов протекающих через катушку устройства взвешивания и цепи цифроаналогового преобразова- теля. Емкости С7, С8 включены для сглаживания импульсных пульсаций нагрузок на стабилизатор, а С5, С6 в качестве фильтра высокочастот- ных помех. Предохранитель FU1 защищает сеть переменного тока от перегру- зок, скажем при коротком замыкании на вторичных обмотках трансформа- тора, а FU2 и FU3 - блок питания, при перегрузках в питаемых через них схемах. ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Наиболее оптимальным было бы использование в качестве цифро- аналогового преобразователя спецализированной микросхемы, что су- щественно упростило бы электрическую принципиальную схему аналити- ческих весов и избавило нас от проблемы решения множества проблем, связанных с этим преобразованием. Например, микросхемы К572ПА1, К594ПА1 [2] советского производства или импортного производства: DAC-01 и DAC-02 (фирма Precision Monolitic), MC1406 (Motorola), HI-1080 и HI-1090 (Harris Semiconductor), AD-562 и AD-7520 (Analog Devices) [8], или более современные MX7534, MX7535, MX7536, MX7538 (Maxim) [9]. Однако лучшие из этих чипов гарантируют разрешение с точностью не более 14 разрядов, что явно недостаточно для обеспе- чения аналитической точности взвешивания в диапазоне 0...200 грамм. Для обеспечения указанных требований мы должны разработать принципиальную электричестую схему 21-го разрядного цифроаналого- вого преобразователя. Существует два наиболее широко распространенных метода циф- роаналогового преобразования: с использованием взвешенных резист- ров и многозвенной цепочки резистров [8]. На рис. 3 представлена принципиальная электрическая схема цифроаналогового преобразователя с двоично-взвешенными резистора- ми, которая состоит из n ключей, по одному на каждый разряд, уп- равляемых выходным сигналом; цепочки двоично-взвешенных резисто- ров; источника опорного напряжения Uоп и суммирующего операцион- ного усилителя, на выходе которого получается аналоговый сигнал, пропорциональный цифровому коду на входе. В идеальной ситуации ток, на входе операционного усилите- ля будет равен An-1хUоп An-2хUоп A1хUоп A0хUоп I = __________ + __________ + . . . + ________ + ________ . R R R R В нашем случае, для 21-разрядного цифроаналогового преоб- разователя, диапазон изменения сопротивлений резисторов должен будет соответствовать ряду: 1,2,4,8,...,524288,1048576 Ом. У нас не было возможности точного подбора такого широкого ряда резис- торов тем более, что они должны быть все изготовленны по одной технологии, в связи с чем этот метод построения цифроаналогово преобразователя - неприемлем. На рис. 4 представлена принципиальная электрическая схема цифроаналогового преобразователя с многозвенной цепочкой резис- торов. В этой схеме использование цепочки резисторов R-2R, при- водит к тому, что вклад каждого разряда в выходной сигнал про- порционален его двоичному весу. Поскольку эта цепочка резисторов является линейной цепью, то ее работу можно проанализировать методом суперпозиции, то есть вклад в выходное напряжение от каждого источника рассматривать независимо от других источников. Окончательно все вклады от каж- дого разряда суммируются для получения на выходе результата в виде напряжения Uвых [8]. Таким образом, выходное напряжение цифроаналогового преоб- разователя пропорционально сумме напряжений со своими весами, обусловленных лишь теми ключами, которые подключены к источнику Uоп. Для нашего 21-разрядного цифроаналогового преобразователя простое механическое копирование этой схемы невозможно, так как самые лучшие чипы операционных усилителей LM101A, LF156A или LM118 не способны обеспечить требуемого разрешения - их предел 14-ть разрядов и 8...12 разрядов - для микросхем операционных усилителей советского производства (К153УД2, К140УД18 и других). Можно было бы разработать двухплечевую схему с использованием на выходе одного из плеч делителя напряжения, но такой подход приведет к множеству проблем, связанных с обеспечением идентич- ности плеч и тому подобных. Поэтому мы решили удалить из схемы приведенной на рис. 4 операционный усилитель, заменив предшест- вующий ему резистор 2R, многозвенной цепи, катушкой устройства взвешивания. Тогда для обеспечения изменения тока на выходе цифроана- логового преобразования достаточно больших номиналов тока, до 3,5 А, мы должны подобрать пары 2R/R с таким расчетом, чтобы ве- личина R составляла значение немного большее 1 Ома, при этом ре- зисторы 2R должны иметь коэффициент деления как можно ближе к двум, особенно в старших значащих разрядах. Кроме этого, резис- торы должны быть мощными МЛТ-1 или МЛТ-2, чтобы избежать их вы- горания при прохождении больших токов. Подбор номиналов резисторов мы производили с использовани- ем цифрового измерителя L, C, R Е7-8 из нескольких тысяч резис- торов, номинала 1,4 и 2,7 Ом, во всех организациях города, в которых нам удалось их найти: АО ССГПО (6 подразделений), Руд- ненский индустриальный институт, Рудненский политехнический кол- ледж и других. Тип и номиналы этих резисторов определяли их ред- кое использование и поэтому по причине их отсутствия или дефицит- ности нам не отказали ни в одной из упомянутых организаций. |
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|