1. Постановка задачи

Комплексное исследование свойств материалов или испытание качества изделий часто сопровождаются воздействием избыточного давления.

Изменение величины давления достигается нагнетанием или сбросом газовой среды в замкнутый объем испытательной барокамеры [1], в которую помещается исследуемый образец. Температура газовой среды в процессе испытаний должна поддерживаться на определенном уровне или изменяться по определенному закону. Для этого необходимо как нагревать, так и охлаждать газовую среду барокамеры от управляемого источника тепловой энергии. Таким источником являются термоэлектронные модули.

Преимущество от применения термоэлектрических модулей в качестве управляемого источника тепловой энергии заключается в следующем [2]:

- возможность плавного и точного регулирования холодопроизводительности и температурного режима за счет изменения величины постоянного электрического тока, протекающего через модуль;

- легкость перехода из режима нагрева в режим охлаждения за счет изменения направления электрического тока,

- малая инерционность модуля, что непосредственно связано с его малыми габаритами;

- практически неограниченный ресурс работы как следствие отсутствия движущихся частей и обычных рабочих веществ;

- произвольная ориентация в пространстве, устойчивость к динамическим и статическим перегрузкам;

- возможность создания модульной конструкции с компактными габаритами и малым весом;

- взаимозаменяемость.

Однако вопросы оценки качества применения таких модулей для контроля и испытания изделий с применением технологий NI рассмотрены не достаточно.

2. Описание решения

На рисунке 1 представлена структурная схема автоматизированной системы управления температурой газовой среды специальной барокамеры, в которой в качестве исполнительного устройства взят термоэлектрический модуль.

Микроконтроллер осуществляет связь программы управления температурными режимами барокамеры с элементами блока устройств управления. Программа управления выполнена средствами пакета LabVIEW. Обмен командами и данными выполняется по скоростному последовательному USB каналу связи.

Текущие значения температуры и давления среды барокамеры, снимаемые с датчиков, а также значение электрического напряжения или тока, прикладываемого к модулю, оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).

Рисунок 1- Структурная схема автоматизированной системы управления температурой газовой среды специальной барокамеры

3. Используемое оборудование и ПО

Микроконтроллер осуществляет связь программы управления температурными режимами барокамеры с элементами блока устройств управления. Программа управления выполнена средствами пакета LabVIEW. Обмен командами и данными выполняется по скоростному последовательному USB каналу связи.

Текущие значения температуры и давления среды барокамеры, снимаемые с датчиков, а также значение электрического напряжения или тока, прикладываемого к модулю, оцифровываются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Управляющее воздействие, формируемое на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), преобразуется и усиливается регулятором напряжения (тока) для точного изменения теплопроизводительности термоэлектрического модуля. Быстрая смена теплового режима, то есть переход от нагрева к охлаждению, выполняется управляемым мостовым коммутатором, позволяющим изменять полярность подключения модуля к регулятору напряжения.

В данной разработке были применены термоэлектрические модули производства предприятия «Криотерм» (г. Санкт-Петербург).

Все элементы блока устройств управления смонтированы в корпусе модернизированного мощного импульсного источника питания формата АТХ для персональных компьютеров. Для достижения высокой точности измерений и управления применены 24-х разрядные АЦП AD7793, 12-и разрядные ЦАП AD5522 фирмы Analog Device.

На рисунке 2 представлена интерфейсная панель программы управления температурными режимами специальной барокамеры, созданной с применением технологий NI (использовался пакет LabVIEW 8.0).

Рисунок 2 - Интерфейсная панель программы управления температурными режимами барокамеры

Обращение к микроконтроллеру осуществляется через набор команд представленных символьными строками. Отдельные поля строки идентифицируют начало и конец команды, признак группы команд, передаваемые данные.

Панель программы содержит несколько вкладок для настройки опций режимов управления отображения:

- реальных термодинамических процессов в барокамере;

- моделируемых процессов;

- фиксации результатов на экране монитора;

- сохранения результатов в базе данных.

4. Внедрение и развитие решения

Применение в качестве драйвера USB микросхемы конвертера USB-COM, позволило широко применять весь инструментарий для работы с СОМ-портами [3, 5]. Подключение к LabVIEW дополнительного набора инструментов интеграции с пакетом математических вычислений MathCad [4] значительно облегчило процесс создании и отладки сложных алгоритмов математической обработки данных и управления. В процессе работы над проектом создана имитационная модель термодинамических процессов газовой среды при нагнетании или сбросе давления в барокамере, что также облегчило отладку алгоритмов управления.

Полученные результаты внедряются в учебный процесс в виде ряда лабораторных работ по курсам теплотехники и автоматизации производства.

Литература:

1. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов. Справ, пособие - М. : Машиностроение, 1975. - 272 с.

2. Булат Л. П., Ведерников М. В., Вялов Д. П. Термоэлектрическое охлажде ние: Текст лекций / Под общ. ред. Л.П. Булата, - СПб.: СПбГУНиПТ, 2002. -147 с.

3. Суранов А. Я. Справочник по функциям. -М.:ДМК Пресс, 2005.-512 с.

4. Тревис Д. LabVIEW для всех. - М.:ПриборКомплект, 2004.-537 с.

5. Загидулин Р.Ш. LabVIEW в исследованиях и разработках. - М.:Горячая линия-Телеком, 2005. -352 с: ил.