Измеритель температуры и частоты на основе компьютера

Не секрет, что после приобретения (или самостоятельной сборки) современного высокопроизводительного персонального компьютера (ПК) перед владельцами устаревших машин (286-х, 386-х) неизбежно возникает вопрос: что делать со старой? Продать ее за сколько-нибудь приличную цену нереально, а выбросить жалко.

Между тем такому ПК можно найти достойное применение, превратив его, например, в виртуальный измерительный комплекс. И тогда ваш старый “друг” сможет делать не только то, на что способны обычные измерительные приборы, но и вести, к примеру, статистическую обработку измеряемых параметров, управлять каким-либо технологическим объектом, например, муфельной печью, предназначенной для термической обработки металлов, ит. д. В статье описывается несложная приставка к ПК, позволяющая с его помощью измерять частоту электрических сигналов и температуру.

Для превращения ПК в измерительный прибор необходим аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Обычно практикуется подход, при котором АЦП выдает готовый цифровой код, вводимый в ПК через системную шину или стандартный параллельный либо последовательный порт.

Но возможности даже устаревшего ПК таковы, что он способен сам частично выполнять функцию АЦП, если, конечно, к измерительной системе в целом не предъявляется особых требований по быстродействию. При этом аппаратные и финансовые затраты на реализуемую систему измерения резко снижаются.

Суть решения следующая. Если на любую сигнальную линию параллельного порта, позволяющую работать на ввод (например, BUSY) подать периодические колебания частотой F (с уровнями ТТЛ), го, подсчитав число периодов за время между двумя срабатываниями системного таймера, можно измерить их частоту. Так как системный таймер тактируется генератором, стабилизированным кварцевым резонатором, точность измерения частоты оказывается достаточно высокой.

Программа

Разумеется, для превращения ПК в частотомер необходима специальная программа, способная перехватывать прерывание INT8h (оно используется для модификации счетчика времени суток), вызываемое системным таймером с частотой примерно 18 Гц. Листинг программы WWOD.ASM написанной на МАЭМ и снабженной подробными комментариями, находится в Интернете по адресу ftp.radio.ru/pub/. Скачать: r2001-07-wwod.zip (35 Кб).

Программа позволяет делать два измерения в секунду, благодаря чему общая производительность ПК практически не страдает Максимальное значение измеряемой частоты зависит от конкретного ПК и может достигать 300...400 кГц.

Доступ к данным программы осуществляется через обычно неиспользуемое прерывание INT60h. При этом оно возвращает в регистр АХ число периодов, подсчитанное за время между двумя срабатываниями системного таймера. Чтобы исключить влияние на результат измерения других резидентных программ, перехватывающих прерывание INT8h, программа WWOD должна быть инициирована первой записью в файле AUTOEXEC ВАТ, например, таким образом: Пример файла Autoexec bat:

@wwod.com

.

.

(Остальные процедуры)

.

vc

Для измерения температуры необходимо изготовить несложную приставку. Хорошей базой для нее может служить прецизионный преобразователь напряжение-частота-напряжение (ПНЧН) КР1108ПП1 [1,2], который обеспечивает достаточно высокие метрологические характеристики при сравнительно низкой стоимости. Для работы ПНЧН КР1108ПП1 выбран диапазон частот 0...20000 Гц.

Принципиальная схема

Описываемая приставка разрабатывалась для контроля и регулирования температуры в рабочей зоне электропечи. Температура в ней достигала +1200 °С, поэтому в качестве датчика температуры оказалось целесообразным применить хромель-алюмелевую термопару (ТХА). Как известно, действие этих приборов основано на свойстве металлов и сплавов создавать термо-ЭДС, которая зависит от температуры места спая разнородных проводников, образующих чувствительный элемент термопары (“горячий” спай) [3].

Кроме “горячего’, существует “холодный” спай, который образуют противоположные концы проводов термопары при подсоединении их к измерительному прибору. Так как оба спая вырабатывают термо-ЭДС, соответствующую собственной температуре, то реально можно измерить только разность термо-ЭДС создаваемых “горячим" и “холодным” спаями "Холодный" спай выносят в область с более низкой температурой.

Рис. 1. Принципиальная схема измерительной приставки.

Для удлинения выводов термопары применяют специальный компенсирующий провод, состоящий из двух жил, изготовленных из металлов и сплавов с такими же термоэлектрическими свойствами, как и у термопары.

Положительными свойствами этого вида термодатчиков являются, как известно, хорошая повторяемость передаточной характеристики, более широкий, чем у металлических термометров сопротивления, диапазон измерения, высокая чувствительность, незначительная инерционность и низкая стоимость.

Но наряду с этим, у них есть и недостаток - более высокая (по сравнению с термометрами сопротивления) нелинейность передаточной характеристики. Использование ПК для линеаризации передаточной характеристики позволяет значительно снизить погрешность измерения от нелинейности.

Принципиальная схема приставки, позволяющей с помощью термопары ТХА измерять температуру в интервале от 0 до +1300 °С, изображена на рис. 1. Обмен с ПК осуществляется посредством сигнала BUSY параллельного порта. Приставка обеспечивает гальваническую развязку между ПК и термопарой, что немаловажно так как зачастую последняя имеет электрический контакт с объектом измерения.

Узел, собранный на ОУ DA1, транзисторе VT1, стабилитроне VD1 и резисторах R1-R5, R9-R11, предназначен для контроля температуры “холодного" спая термопары, который образуется при подключении ее к зажимам XI и Х2. Датчиком температуры служит транзистор VT1, имеющий с ними непосредственный тепловой контакт. Резистор R1 ограничивает ток через транзистор на уровне 1 мА.

Цепь, состоящая из резисторов R2, R3 и стабилитрона VD1, служит для компенсации падения напряжения на VT1. С помощью резисторов R4 и R5 напряжение с транзистора и часть напряжения со стабилитрона суммируются на инвертирующем входе ОУ DA1. Подстроечный резистор R3 предназначен для установки нулевого напряжения на выходе этого ОУ при нулевой температуре холодного спая, a R10 - напряжения, соответствующего температуре холодного спая, которое через резистор R11 подается на инвертирующий вход ОУ DA2.

Каскад на ОУ DA2 усиливает сигнал термопары до уровня, необходимого для нормальной работы ПНЧН DA5. Требуемый коэффициент усиления определяется сопротивлениями резисторов R6, R12, R13. Резистор R7 устраняет влияние входных токов ОУ на результат измерения, а подстроечный резистор R8 служит для балансировки ОУ

Усиленный сигнал поступает на вход ПНЧН DA5, включенного по типовой схеме [1, 2]. Напряжение с его выхода через резистивный делитель R15-R17 подается на базу транзистора VT2, выполняющего функцию электронного ключа. В цепь его коллектора включен светодиод транзисторного оптрона U1. Чтобы исключить влияние этого узла на измерительную часть приставки, цепи их питания разделены, измерительная часть питается стабилизированными напряжениями а коллекторная цепь транзистора VT2 подключена к выходу выпрямителя VD2 через фильтр R18C7.

Детали и конструкция

Для применения в измерительной части устройства пригодны любые малогабаритные постоянные резисторы (R1, R2, R4-R7, R9, R11 R12, R14) с допускаемым отклонением от номинала не более ±5 % и ТКС не хуже 100*10^6 °С^-1 (группы А, Б, В). Подстроечные резисторы R3, R8, R10, R13 - многооборотные СП5-2, СП5-2В или СП5-2ВА. Конденсаторы С2-С5, С7 - К50-35, остальные - К10-17.

Зажимы Х1-Х4 - любые малогабаритные для печатного монтажа.

Детали устройства монтируют на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита (рис. 2). Проволочную перемычку, соединяющую печатные проводники со стороны деталей, впаивают до установки на место микросхемы DA2.

Для обеспечения теплового контакта с зажимами Х1 Х2 транзистор VT1 приклеивают к ним (после налаживания) клеем “Момент”.

Трансформатор питания Т1 - любой маломощный со вторичной обмоткой с отводом от середины и напряжением 2x20...22 В.

Рис. 2. Печатная плата приставки.

Налаживание

Налаживают приставку в такой последовательности. Временно соединив перемычками зажим Х1 с Х2, коллектор с эмиттером транзистора VT1, анод с катодом стабилитрона VD1, включают питание и убеждаются в наличии стабилизированных напряжений +15 и -15 В.

Затем подстроечным резистором R8 устанавливают нулевое напряжение на выходе (вывод 6) ОУ DA2. После этого снимают перемычку, соединяющую зажимы Х1 и Х2, и подключают к ним с соблюдением полярности источник образцового напряжения.

В крайнем случае можно использовать имеющийся в приборе стабилизированный источник +15 В, подсоединив к нему регулируемый резистивный делитель и контролируя милливольтметром снимаемое с его нижнего (соединенного с общим проводом) плеча напряжение.

Погрешность измерений милливольтметра должна быть минимальной, так как она в конечном счете определяет погрешность измерения температуры.

Установив на выходе образцового источника напряжение 52,43 мВ (такое напряжение термопара генерирует при температуре +1300 °С), с помощью подстроечного резистора R13 добиваются на выводе 6 DA2 напряжения 2 В. Затем снижают входное напряжение до 4,1 мВ (оно соответствует температуре +100 °С) и запоминают напряжение, создаваемое в этом случае на выводе 6 DA2 (должно быть 156,4 мВ).

Далее с помощью ленточного кабеля и разъема подключают приставку к параллельному порту ПК. Включив питание приставки и ПК, компилируют исходный текст WWOD.ASM в программу WWOD.COM. Затем, сделав соответствующую запись в файл инициализации AUTOEXEC.BAT, перезагружают ПК и, используя TURBO BASIC, вводят и запускают следующую тестовую программу (она позволяет считывать и нормировать выходные данные программного частотомера; значение переменной Norm выбрано ориентировочно):

Norm=20

call interrupt &h60

a=reg(l)

print a/norm

На данном этапе полезно “прогнать” всю градуировочную таблицу термопары ТХА [3] и подбором значения переменной Norm добиться соответствия между входным напряжением приставки и показаниями тестовой программы.

call interrupt &h60

a=reg(l)

Vin=a/norm

'Градуировочная таблица термопары TXA

data 1,2.02,3.06,4.1,5.13,6 13,7.13,8.13,9.14

data 10.15,11.18,12 21,13.25,14.3,15.35,16.4,17.46,18.51,19 58

data 20.65,21.72,22.78,23.85,24.91,25.98,27.04,28.09,29.15,30.2

data 31.24,32 29,33 32,34.34,35 36,36.37,37 37,38.37,39 36,40.35

data 41 32,42 29,43 26,44.2,45 16,46.1,47 03,47.96,48 87,49 77

data 50.67,51.56,52.43

restore n=1:Vtab0=0

--read Vtab1

----while Vtab1

------incr n

------if n>52 then exit loop

------Vtab0=Vtab1

------read Vtab1

----wend

--if n>48 then print "Температура выше +1200 С !":goto finish

tin=25*(n-(Vtab1-Vin)/(Vtab1-Vtab0))

После этого вновь соединяют перемычкой зажимы Х1, Х2, а с транзистора VT1 и стабилитрона VD1 перемычки удаляют Транзистор VT1 временно извлекают из приставки, соединяют с ней отрезками монтажного провода длиной 200 .300 мм и, тщательно изолировав места пайки, помещают в водонепроницаемый контейнер из алюминиевой фольги. Изготавливают его следующим образом взяв лист фольги размерами примерно 200x200 мм, дважды сгибают его пополам отгибают один из крайних листов, чтобы получился своеобразный футляр, и помещают в него транзистор. Фольгу соединяют с общим проводом приставки.

Далее достают из морозильника заранее заготовленные ледяные кубики и, раскрошив их ножом, заливают водой до консистенции кашицы. Опустив в нее футляр с транзистором VT1, ждут, когда стабилизируется напряжение на выводе 6 DA1. После этого “обнуляют” его с помощью подстроечного резистора R3. Затем опускают футляр с транзистором VT1 в слабо кипящую воду.

Дождавшись стабилизации выходного напряжения DA1, устанавливают его (подстроечным резистором R10) равным усиленному напряжению термопары для температуры + 100 °С. В заключение отпаивают соединительные провода, смазывают корпус транзистора VT1 клеем “Момент”, вставляют в зазор между зажимами Х1 и Х2 и припаивают его выводы к печатным проводникам. С зажимами термопару соединяют компенсирующим проводом.

Текст рабочей программы, использующей выходные данные программного частотомера, зависит от конкретного применения. Ниже приводится фрагмент управляющей программы, написанной на Turbo Basic, который линеаризует передаточную характеристику термопары ТХА, используя градуировочную таблицу [3].

В заключение следует сказать, что программа WWOD.СОМ практически не мешает нормальной работе ПК. Единственный замеченный недостаток - невозможность выполнить форматирование гибкого диска. Если в этом возникнет необходимость, можно перезагрузить ОС без загрузки WWOD.COM или ввести дополнительную функцию прерывания INT60h, которая позволит оперативно включать или выключать функционирование резидентной части WWOD.COM.

После небольшой модификации текста WWOD.ASM ПК может опрашивать несколько аналогичных каналов измерения, подключенных к параллельному порту.

Выше уже отмечалось, что описанная система позволяет выполнять два измерения в секунду, чего вполне достаточно для таких объектов регулирования, как термошкаф или электропечь. При необходимости быстродействие системы, требуемое для контроля реального объекта, можно определить, руководствуясь, например, материалами, приведенными в [4].

В. Володин, г. Одесса, Украина. Р2001, 7.

Литература:

1. Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах - Л.: Энергоатомиздат 1988.
2. Интегральный преобразователь напряжение-частота-напряжение КР1108ПП1 и его применение. - Р2001, 8.
3. Мурин Г. А. Теплотехнические измерения. - М. Энергия 1979.
4. Бесекерский В. А. Радиоавтоматика - М Высшая школа, 1985.