ЦИФРОВАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СХЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕПЛОВОЙ КАЛИБРОВКИ КАЛОРИМЕТРА ПЕРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
DIGITAL AUTOMATED TEMPERATURE MEASURE CIRCUIT AND THERMAL CALIBRATION OF VARIABLE TEMPERATURE CALORIMETRE

Изобретение относится к теплофизическим устройствам с цифровой автоматизированной схемой измерения температуры и может быть использовано для измерения и записи температуры в приборе, где инструментом для измерения температуры является термометр сопротивления, в частности в калориметре для измерения температуры, проведения тепловой калибровки электрическим нагревателем и передачи данных в персональный компьютер.
Технической задачей изобретения является разработка цифровой автоматизированной схемы измерения температуры и тепловой калибровки калориметра переменной температуры, позволяющей расширить диапазон измеряемых тепловых эффектов химических процессов за счет повышения разрешающей способности термометра сопротивления, упростить методику их определения и увеличить надежность измеряемой величины за счет проведения тепловой калибровки калориметрического сосуда по задаваемому количеству теплоты, а также повысить точность получаемых результатов.
Для решения поставленной технической задачи изобретения предложена цифровая автоматизированная схема измерения температуры и тепловой калибровки калориметра переменной температуры, состоящая из помещенной в изотермическую оболочку калориметрической ячейки, в которой установлен мостовой измерительный датчик температуры, выполненный из медной отожженной проволоки и составленный из трех последовательно соединенных одинаковых секций, закрепленных на внешней цилиндрической стенке калориметрической ячейки, калибровочный резистивный нагреватель, выполненный из манганиновой проволоки, намотанной бифилярно на цилиндрическую оправку, и двух блоков, в первом блоке, помещенном в корпус из нержавеющей стали и закрепленном на изотермической оболочке калориметра для термостатирования совместно с калориметрической ячейкой, установлены 24-разрядный аналого-цифровой преобразователь с тремя независимыми дифференциальными входами, однокаскадный дифференциальный усилитель на двух операционных усилителях со сверхнизким уровнем собственных шумов, позволяющие измерять и записывать текущие значения температуры в абсолютных значениях, полученных путем пересчета по линейному уравнению измеряемых значений сопротивления термометра, а также датчик тока, выполненный в виде резистора с низким температурным коэффициентом сопротивления и формирующий сигнал напряжения, пропорциональный току, протекающему через нагреватель, и прецизионный источник опорного напряжения, формирующий высокостабильное опорное напряжение, подающееся на мостовой датчик температуры и аналого-цифровой преобразователь, во втором блоке, помещенном в пластмассовый короб, установлены транзисторный ключ для подключения нагревателя и источник питания, причем 24-разрядный аналого-цифровой преобразователь, однокаскадный дифференциальный усилитель, мостовой измерительный датчик температуры относятся к измерительной части цифровой автоматизированной схемы, калибровочный резистивный нагреватель, транзисторный ключ, датчик тока относятся к калибровочной части цифровой автоматизированной схемы, при этом управление обеими частями, формирование результата измерений и его передачу осуществляют через интерфейс связи микроконтроллером, предназначенным для организации двунаправленного обмена между цифровой автоматизированной схемой и персональным компьютером по USB-интерфейсу, для большего повышения надежности работы и точности измерений в схеме используют прецизионные резисторы и чип-конденсаторы, а также резисторы сопротивления, включенные последовательно с цифровой частью, формирование необходимых напряжений питания цифровой автоматизированной схемы осуществляют с помощью источника питания с высокоточными малошумящими стабилизаторами напряжения.
Технический результат заключается в повышении надежности и точности измерения переменной температуры калориметра за счет разделения схемы на две части и уменьшения воздействия помех, создаваемых цифровой частью схемы. Автоматизированная схема измерения температуры и тепловой калибровки калориметра переменной температуры позволяет определять с высокой надежностью температуру в калориметрической ячейке до ±0,00001 К, что позволяет расширить диапазон измеряемых тепловых эффектов, а также проводить тепловую калибровку калориметрического сосуда по задаваемому количеству теплоты и передавать данные в персональный компьютер типа ЮМ для хранения и последующей обработки.
На чертеже представлена цифровая автоматизированная схема измерения температуры и тепловой калибровки калориметра переменной температуры.
Цифровая автоматизированная схема измерения температуры и тепловой калибровки калориметра переменной температуры состоит из помещенной в изотермическую оболочку калориметра калориметрической ячейки, в которой находится мостовой измерительный датчик температуры - R1-R3, Rт 1, выполненный из медной отожженной проволоки, состоящий из трех последовательно соединенных одинаковых секций, закрепленных на внешней цилиндрической стенке калориметрической ячейки, и калибровочный нагреватель - Rн 2, выполненный из манганиновой проволоки, намотанной бифилярно на цилиндрическую оправку, и двух блоков. В первом блоке автоматизированной схемы, помещенном в корпус из нержавеющей стали размером 20×30×15 см для устранения электрических помех и закрепленном на изотермической оболочке калориметра для термостатирования совместно с калориметрической ячейкой, установлены: 24-разрядный аналого-цифровой преобразователь - АЦП 3, однокаскадный дифференциальный усилитель - ДУ 4, прецизионный источник опорного напряжения - ИОН 5; кроме того, в данном блоке установлен датчик тока - Rдт 6, предназначенный для тепловой калибровки калориметра. Во втором блоке, помещенном в пластмассовый короб размером 25×40×15 см, установлены: транзисторный ключ - VT1 7; микроконтроллер 8; USB - интерфейс связи - ИС 9; источник питания - ИП 10. Разделение автоматизированной схемы на две части позволяет уменьшить воздействие помех, создаваемых цифровой частью электрической схемы, на высокоточные схемы первого блока.
Основу измерительной части цифровой автоматизированной схемы составляет: 24-разрядный АЦП 3 - AD7714 фирмы ANALOG DEVICES с тремя независимыми дифференциальными входами, предназначенный для применения в низкочастотных высокоточных промышленных приборах и имеющий нелинейность передаточной характеристики 0,0015%, АЦП предназначен для высокоточного измерения сигналов, соответствующих температуре калориметрической ячейки, напряжению и току калибровочного нагревателя; однокаскадный дифференциальный усилитель ДУ 4, выполненный на двух операционных усилителях AD797 со сверхнизким уровнем собственных шумов, который ниже величины сигнала, соответствующего младшему разряду преобразователя в полосе пропускания (от 0,1 до 10 Гц) цифрового фильтра АЦП, и предназначенный для увеличения разрешающей способности канала измерения температуры с коэффициентом усиления 100 по постоянному току; мостовой измерительный датчик температуры R1-R3, Rт 1, предназначенный для генерирования дифференциального сигнала, соответствующего текущей температуре калориметрической ячейки, выполненный из медной отожженной проволоки и состоящий из трех последовательно соединенных одинаковых секций, закрепленных на цилиндрической стенке калориметрической ячейки и находящихся в тепловом контакте друг с другом. Измерения текущей температуры и ее запись проводится в абсолютных значениях (градусах Кельвина), которые получаются путем пересчета по линейному уравнению измеряемых значений сопротивления термометра.
Основу калибровочной части цифровой автоматизированной схемы составляет: калибровочный резистивный нагреватель Rн 2, расположенный внутри калориметрической ячейки, предназначенный для выделения тепла в объем калориметрической ячейки в режиме калибровки и выполненный из манганиновой проволоки, намотанной бифилярно на цилиндрическую оправку; транзисторный ключ VT1 7, подающий напряжение +12 В на нагреватель, расположенный в калориметрической ячейке, в режиме калибровки; датчик тока Rдт 6, представляющий собой резистор с низким температурным коэффициентом сопротивления и формирующий сигнал напряжения, пропорциональный току, протекающему через нагреватель. Использование сопротивлений с низким температурным коэффициентом сопротивления позволяет проводить прецизионные измерения сигнала.
Управление схемой осуществляется микроконтроллером 8, который представляет собой автономное устройство с собственным программным кодом. Микроконтроллер фирмы MIRCOCHIP выполнен на базе PIC16F876, реализует все необходимые алгоритмы работы калориметра и формирует результат для передачи в персональный компьютер. Интерфейс связи ИС 9, выполненный на FT245RL, предназначен для организации двунаправленного обмена между цифровой автоматизированной схемой измерения температуры и тепловой калибровки калориметра переменной температуры и персональным компьютером ПК 11 по USB-интерфейсу.
Для повышения точности измерений в цифровой автоматизированной схеме калориметра применены прецизионные резисторы С2-29 и чип-конденсаторы, а также прецизионный источник опорного напряжения ИОН 5, выполненный на AD780 и формирующий высокостабильное опорное напряжение, которое подается на мостовой датчик температуры R1-R3, Rт 1 и АЦП 3. Формирование необходимых напряжений питания цифровой автоматизированной схемы осуществляется с помощью источника питания ИП 10. Для питания АЦП, дифференциального усилителя и прецизионного источника опорного напряжения в источнике питания применены высокоточные малошумящие стабилизаторы напряжения ADP3303.
Для улучшения надежности работы цифровой автоматизированной схемы и предотвращения сбоев, которые могут возникнуть при работе микроконтроллера, источника питания или персонального компьютера, использованы резисторы сопротивлением 51 Ом, включенные последовательно с цифровыми линиями, которые могут вызвать подобный сбой. Эти сопротивления в сочетании с паразитной емкостью цифровых входов формируют низкочастотный фильтр, который подавляет высокочастотные помехи.
Цифровая автоматизированная схема измерения температуры и тепловой калибровки калориметра переменной температуры работает в трех режимах - контроль температуры, измерение зависимости температуры калориметрической ячейки от времени и калибровка - следующим образом.
В режиме контроль температуры выполняется текущий контроль температуры калориметрической ячейки с ее отображением на экране монитора персонального компьютера ПК 11. При контроле температуры сигнал напряжения, пропорционального температуре калориметрической ячейки от мостового измерительного датчика температуры R1-R3, Rт 1, поступает на сверхмалошумящий дифференциальный усилитель ДУ 4 с коэффициентом усиления 100. С выхода ДУ 4 сигнал подается на вход1 АЦП 3. Обмен данными между микроконтроллером 8 и АЦП 3 осуществляется по трехпроводному последовательному интерфейсу по протоколу MICRO-WARE. АЦП 3 каждые 200 мс производит измерения напряжения на входе 1 и по инициативе микроконтроллера 8 в цифровом виде передает ему результат. Микроконтроллер 8 сразу же отправляет их в компьютер ПК 11 через USB-интерфейс связи ИС 9. В компьютере они переводятся в текущие значения температуры и отображаются на экране монитора компьютера ПК 11.
В режиме измерения зависимости температуры калориметрической ячейки от времени выполняется регистрация динамики теплового процесса с построением графика температуры калориметрической ячейки в реальном времени и запись данных в файл. Микроконтроллер 8 осуществляет отсчет времени с дискретностью 1 мс и каждые 200 мс получает от АЦП 3 результат измерений напряжения на входе 1. В компьютер ПК 11 предаются значения напряжения на входе 1 АЦП 3 и времени проведения измерения.
ДТ
В режиме калибровки выполняется контроль количества теплоты, выделяющегося на калибровочном нагревателе Rн 2 в объем калориметрической ячейки. В установленный испытателем момент с клавиатуры компьютера включается калибровочная часть схемы и в ячейку выделяется количество теплоты, выбранное испытателем. Получив от компьютера ПК 11 команду начала калибровки, микроконтроллер 8 включает транзистор VT1 7, который подключает калибровочный нагреватель Rн 2 к источнику питания ИП 10. АЦП 3 каждые 100 мс производит поочередные измерения напряжений на входе 2 и входе 3, которые соответствуют напряжению на калибровочном нагревателе Rн 2 и датчике тока R 6. Микроконтроллер с момента включения транзистора VT1 7 осуществляет отсчет времени, таким же образом как в режиме измерения зависимости температуры калориметрической ячейки от времени. В компьютер ПК 11 передаются значения напряжений на входе 2, входе 3 и времени. На основе полученных данных компьютер определяет значения количества теплоты, которое выделилось в объем калориметрической ячейки к данному моменту времени с начала калибровки. Заданное количество выделяемой теплоты рассчитывается по интегральной форме закона Джоуля-Ленца, что позволяет с высокой точностью определять тепловое значение калориметра. После достижения требуемого значения количества теплоты компьютер ПК 11 выдает микроконтроллеру 8 команду на прекращение режима калибровки. Транзистор VT1 7 закрывается, отключая тем самым калибровочный нагреватель Rн 2 от источника питания ИП 10.
Во всех режимах работы микроконтроллер 8 осуществляет двунаправленный обмен с компьютером ПК 11 через USB-интерфейс связи ИС 9, заключающийся в передаче команды, определяющей текущий режим работы: контроль температуры, измерение зависимости температуры калориметрической ячейки от времени, калибровка и результаты измерения: времени, напряжений на входах 1, 2, 3.
Испытатель управляет цифровой автоматизированной схемой измерения температуры и тепловой калибровки калориметра переменной температуры с клавиатуры персонального компьютера.
Использование изобретения позволит с помощью цифровой автоматизированной схемы повысить точность проводимых калориметрических измерений в калориметрах переменной температуры; упростить операции по сбору, хранению и обработке данных по ходу калориметрического опыта; расширить диапазон изучаемых химических реакций и процессов и измеряемой теплоты за счет высокой разрешающей способности данной схемы.
Аналоги не обнаружены.