Zirconia-M - WordPress.com

ООО Исследовательские Технологии
Автоматический регулятор
парциального давления кислорода
Zirconia-M
Руководство по эксплуатации
версия 0.2
Екатеринбург 2012
Назначение и основные функциональные возможности
Регулятор автоматический микропроцессорный Zirconia-M, далее регулятор,
разработан специально для применения в составе экспериментальных установок,
используемых при проведении научно-исследовательских работ в области изучения
свойств нестехиометрических окислов. Он предназначен для поддержания в замкнутом
объеме заданного значения парциального давления кислорода при помощи
электрохимической системы насос-датчик на основе кислородпроводящих твердых
электролитов с использованием воздуха в качестве газа сравнения для кислородного
датчика и газа-источника кислорода для насоса. Одновременно он также способен
поддерживать заданную температуру в электрической печи, содержащей обслуживаемую
электрохимическую систему.
Благодаря высокой гибкости регулятор может быть переконфигурирован для
работы с физическими величинами иными, чем температура и давление кислорода. Также
поддерживается
измерение
ЭДС
дополнительного
датчика
–
термопары,
твердоэлектролитного сенсора и др. Таким образом, возможна перенастройка регулятора
для выполнения (одновременно с основным назначением, либо вместо него) самых
различных функций. Наиболее простая из них – трехканальный вольтметр с выдачей
результатов измерения на индикатор и по интерфейсу RS232. Работа может производиться
как в автономном режиме под управлением оператора, так и в составе полностью
автоматизированной системы, управляемой внешним компьютером.
Регулятор также предоставляет возможность установки дополнительного модуля
расширения R-318 (в дальнейшем модуль). Модуль предназначен для непосредственного
измерения физико-химических свойств нестехиометричных оксидов. Он включает в себя
многоканальный аналого-цифровой преобразователь высокого разрешения, управляемые
источники тока и напряжения, образцовую меру сопротивления, цепь управления
внешним нагревателем, а также схему сопряжения с регулятором, включающую полную
гальваническую развязку. Данный набор функциональных узлов позволяет при наличии
соответствующего программного обеспечения реализовать среди прочего измерения
следующих свойств:
 Электропроводности на постоянном токе, в том числе с использованием
четырехпроводной методики
 Коэффициента термо-ЭДС с применением дополнительного нагревателя
 Кислородной нестехиометрии с использованием методики кулонометрического
титрования.
2
Технические характеристики
 Количество основных входов для подключения внешних датчиков (термопар,
электролитов и др.) – 3, количество выходов для подключения
электролитического насоса – 1, электронагревателей печи – 2.
 Возможные режимы работы основных входов (Таблица 1)
Назначение Единицы Пределы
Шаг
Примечание
измерения изменения квантования
2000 mV
mV
-2250..750 0.1
300 mV
mV
±300
0.01
30 mV
mV
±30
0.001
Log(Po2)/2 Log(atm)
-30..+10
0.001
Значения температуры
измеряются каналом 2/3
Log(Po2)/3 Log(atm)
-30..+10
0.001
0
ТПП (S)
С
-50..+1600 0.1
Требуют внешнего дат0
чика термокомпенсации
ТХА (K)
С
-200..1300 0.1
0
ТПР (B)
С
150..1800 1..0.1
 Погрешность измерения напряжения по основным входам не более 0.05% от
полной шкалы, входной ток не более 1нА.
 Ошибка измерения температуры без учета погрешности термопары не более 20С.
 Диапазон поддерживаемых значений давления кислорода ограничен
возможностями электрохимической системы. Проверена работоспособность
регулятора в пределах 1 – 10-20атм.
 Нестабильность поддержания давления кислорода при использовании
рекомендуемой конфигурации электрохимической системы и температурах
более 7500С ±1mV ЭДС датчика при условии правильного подбора констант
регулирования.
 Максимальный ток насоса 2.5А. Диапазон изменения напряжения на насосе –
настраиваемый в пределах ±2V.
 Разрешающая способность измерения тока насоса – 10mA, напряжения на
насосе – 10mV.
 Нестабильность поддержания температуры при правильных настройках не более
±10С.
 Тип управления нагревателем электропечи – широтно-импульсная модуляция с
периодом 0.21 секунды и переключением в момент перехода сетевого
напряжения через ноль.
 Максимальный ток встроенных симисторных усилителей электропечи (2 шт.):
среднеквадратический – 15А (на оба усилителя в сумме), импульсный – 45А.
Возможно использование внешнего усилителя большей мощности.
 Интерфейс для связи с персональным компьютером – RS232C с гальванической
развязкой. Параметры обмена – 19200 бит/сек, 8 информационных и 2 стоповых
бита без проверки четности.
 Способы ввода задания – либо с передней панели, либо через интерфейс
внешних устройств, либо по напряжению, в том числе посредством
дополнительного датчика.
 Память настроек – энергонезависимая, не требует электрохимических
источников тока, позволяет корректно продолжить работу после аварии
электропитания с постепенным выходом на требуемый режим.
 Температура окружающей среды во время эксплуатации – от 10 до 400С,
рекомендуется от 15 до 300С, влажность воздуха при 250С от 15 до 90%,
рекомендуется от 30 до 80%.
3
 Напряжение питания 85 – 265 вольт 50Гц, потребляемая мощность не более
25Вт без учета печи и усилителей.
 Габаритные размеры В×Ш×Г – 210×310×105 мм.
Характеристики дополнительного модуля R-318:
 Входное напряжение АЦП – до 1.28В
 Систематическая погрешность АЦП не более 0.1% от измеряемого значения +1
μV, интегральная нелинейность не более 0.3μV либо 0.003% от измеряемого
значения
 Входной ток АЦП не более 50нА
 Выходное напряжения источника напряжения 1.2V±5%
 Выходной ток источника тока ±1мА±5% при напряжении до 1.8В
 Величина образцовой меры сопротивления 100 Ом±0.1%
 Конструктивное исполнение – печатная плата, присоединяемая, к разъему
расширения внутри корпуса регулятора
Комплект поставки
Таблица 2
№
1
2
3
4
5
6
7
4
Наименование позиции
Регулятор Zirconia-M
Датчик температуры AD592AN
Клеммная плата ZRCON
Интерфейсный кабель RS232 или USB
Клемма 2EDGK-5.08-02P
Дюбель-шуруп
Настоящая инструкция
Кол-во
1
1
1
1
3
4
1
Конструкция и принцип действия
Общая структура регулятора представлена на рис. 1
Вход1
Вход2
Вход3
Блок питания
электрохимического насоса
Регулятор Po 2
Регулятор
температуры
Блок управления
симисторами
Усилитель
печи
Модуль R-318
Блок управления
симисторами 2
Усилитель
печи 2
Рис 1. Общая структура регулятора.
Регулятор содержит три входа для подключения внешних датчиков, числовые
значения с которых выводятся на ЖКИ, а также поступают в блоки регулирования и к
внешним устройствам через интерфейс RS232. В первых трех режимах, перечисленных в
таблице 1, данные числовые значения соответствуют напряжению на входах; в двух
последующих – давлению кислорода, вычисленному из этого напряжения по уравнению
Нернста с использованием значения температуры с соответствующего (другого) входа в
предположении, что электрод датчика, соединенный с клеммой 6 находится при давлении
кислорода 0.21 атм.; и, наконец, в трех последних режимах производится пересчет
напряжения в значение температуры для одного из трех типов термопар с учетом
значения температуры холодных концов.
Входы 1 и 2 соединены с блоками регулирования парциального давления кислорода
и температуры соответственно. Вход 3 может быть использован как самостоятельно, для
измерения внешнего напряжения, так и служить для передачи задания в один из блоков
регулирования. Блок питания насоса вырабатывает под управлением регулятора давления
напряжение U, по следующему закону зависящее от измеренного E и заданного E0 ЭДС
датчика давлений кислорода:
E0
U  E0 
E
C i t0
C
( E 0  E )dt  10C p (e 54.6  e 54.6 )  3 ( E 0  E )

10000 0
100
(1),
где Ci, Cp и С3 – константы регулирования, задаваемые пользователем, а t0 – текущий
момент времени.
Регулятор температуры вырабатывает управляющий сигнал S
t
CT
CiT 0
S  ( p (T0  T ) 
(T0  T )dt ) (2),
100
10000 0
где CiT и CpT – константы регулирования, T0 и T – температура задания и
фактическая температура соответственно. Блок управления тиристорами построен таким
образом, что ток через нагреватель печи был пропорционален управляющему сигналу.
Максимальное значение тока достигается при S=255.
Блок управления симисторами преобразует сигнал S в импульсы длительности
0.21*S/255 секунд, вырабатываемые с фиксированной частотой 5 импульсов в секунду.
Данные импульсы подаются на сменную оптопару. Регулятор поставляется в комплекте с
предустановленной симисторной оптопарой типа MOC3063 для работы со встроенным
усилителем регулятора, осуществляющей управление симистором или тиристорами с
задержкой переключения до момента перехода сетевого напряжения через ноль. К блоку
управления вместо внутреннего усилителя может быть подключено иное устройство,
управляемое ШИМ-сигналом, в том числе внешний симисторный или тиристорный
5
усилитель. Для поддержки широкого спектра таких устройств возможна замена оптопары
на оптопару другого типа. Также регулятор содержит дополнительные блок управления
симисторами и усилитель печи аналогичные основным. Выходной сигнал
дополнительного блока управления симисторами может быть задан вручную либо с
интерфейса RS232.
Оба блока регулирования могут функционировать в двух режимах – автоматическом
и ручном, когда их выходной сигнал задается непосредственно пользователем. В любом
случае выходной сигнал ограничен сверху и снизу пределами, задаваемыми через меню
конфигурации. Блок регулирования температуры может работать в автоматическом
режиме при любом из восьми режимов относящегося к нему входа 2. Автоматическое
поддержание давления при этом, функционирует только в случае, когда вход 1 находится
в режимах 2000mV, Log(Po2)/2 или Log(Po2)/3. При попытке установки иных режимов он
самостоятельно переключается на ручную установку выходного сигнала. Переход в
ручной режим в любом из блоков происходит также при перегрузке соответствующего
входа. После прекращения перегрузки автоматическое регулирование возобновляется.
Конструктивно регулятор выполнен пластмассовом корпусе, предназначенном для
монтажа на стену, который изображен на рисунке 2. На передней стороне располагаются
отверстия сборочных винтов (1), жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) и органы
управления – автоматический выключатель печи (2), выключатель питания (3), блок
кнопок (4): < /меньше/, > /больше/,  /функция/ и  /ввод/ и отверстие (5) для доступа к
регулятору контрастности ЖКИ. На правой стенке размещены разъемы интерфейса RS232
(6), внешних низковольтных цепей (7) и разъем для подключения кислородного насоса
через клемму 2EDGK-5.08-02P (8).
6
5
1
2
7
1
4
3
8
Рис. 2. Общий вид регулятора
Нижний на рисунке 2 контакт разъема 8 предназначен для подключения электрода
кислородного насоса, обращенного к воздуху, а верхний – для внутреннего электрода,
контактирующего с контролируемым газом. Все внешние цепи за исключением
кислородного насоса, силовых цепей (питание 220 Вольт и нагреватели печей) и
интерфейса RS232 выведены на разъем 7. Для упрощения подключения к этому разъему
может быть использована клеммная плата, изображение и электрическая схема которой
приведены на рисунке 2а. Зажимы клеммной платы нумеруются от 1 до 18, как показано
на рисунке. Она также содержит разъем для подключения к регулятору (X1), место для
возможной распайки датчика термокомпенсации (U1) и самовосстанавливающиеся
предохранители (F1 и F2) в цепях наружного электрода насоса (0.2А) и выхода питания
6
5В (0.4А). Клеммная плата может быть подключена к регулятору как непосредственно,
так и через удлинитель, изготовляемый по отдельному заказу.
5V
SB18
SB17
SB16
SB15
SB14
2V5
SB13
SB12
SB11
SB10
ADCCOM
ADCIN1
ADCIN2
ADCIN3
TCOM
13
25
12
24
11
23
10
22
9
21
8
20
7
19
6
18
5
17
4
16
3
15
2
14
1
U1
X2.1
306-031
X2.4
306-031
5V
TCOM
1
3
TCOM
+V
-V
ADCIN3
1
2
3
SB10
SB11
SB12
1
2
3
AD592/TO
X2.2
ADCIN2
ADCIN1
ADCCOM
X1
306-031
1
2
3
X2.5
SB13
SB14
SB15
306-031
1
2
3
DRB-25F
18
F2
RXE040
5V
X2.3
1
2
3
F1
RXE020
306-031
X2.6
SB16
SB17
SB18
306-031
1
2
3
2V5
13
12
1
F1
F2
U1
X1
Рис. 2а. Клеммная плата для подключения внешних цепей.
Функции различных контактов разъема внешних цепей и клеммной платы
приведены в таблице 3.
№№ В
разъеме
1
14
2
3
4
5
22; 23
№ на
плате
1
2
3
4
5
6
7
10
15 – 21
6
7
8
9
11
24
12
25
13
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
7
Группа сигналов
Назначение в группе
Датчик термокомпенсации Входной сигнал
Общий провод датчика (AGND)
Входы основных датчиков Канал 3
Канал 2
Канал 1
Общий провод входов
Выходы
постоянного + питания 5V, используется для
напряжения
AD592AN
Наружный (воздушный) электрод насоса
– питания (GND)
Контакты модуля R-318
«верхняя» Платино-родиевый электрод
(при отсутствии модуля не термопара Pt/потенциальный электрод
задействованы)
«нижняя» Платино-родиевый электрод
термопара Pt/потенциальный электрод
«Верхний» токовый электрод
«Нижний» токовый электрод
Выход источника тока
Дополнительная
оптопара.
В 4
текущей версии регулятора не 6
задействована.
Корпус регулятора состоит из двух частей – основания и крышки. На крышке (Рис.
2б) располагаются органы управления и главная плата регулятора, в основании (Рис. 2в) –
усилители насоса, печей и блок питания. Крышка и основание соединены плоским
кабелем. Соединение блоков управления симисторами и усилителей печи выполняется
отдельными проводами.
2
1
6
8
7
123
3
4
5
Рис. 2б. Крышка регулятора. 1 – главная плата; 2 – плоский кабель к основанию; 3 – плата
расширения R318; 4 – выходные клеммы основного блока управления симисторами 5 – выходные клеммы
дополнительного блока управления симисторами; 6 – выключатель питания регулятора; 7 – провод к
усилителю печи; 8 – сменные оптопары.
7
1
4
5
6
3
123
2
Рис. 2в. Основание регулятора. 1 – плата усилителей; 2 – плоский кабель к крышке; 3 – разъем для
подключения электрохимического насоса; 4 – разъемы для подключения входного сигнала усилителей печи; 5
– выходные разъемы усилителей печи; 6 – зажим сетевого питания регулятора; 7 – автоматический
выключатель для цепи питания печи.
8
Установка и подключение
Установку и эксплуатацию регулятора должно проводить лицо, ознакомленное с
данной инструкцией и прошедшее проверку знаний по технике безопасности. Регулятор
должен быть закреплен таким образом, чтобы исключить его перемещение и короткие
замыкания в подходящих к нему цепях. Регулятор, транспортировавшийся при
отрицательной температуре, следует перед включением продержать в условиях
помещения не менее двух часов. Монтаж регулятора начинается с подключения
высоковольтных цепей питания регулятора и печей внутри корпуса. После его завершения
производится электрическое соединение основания с крышкой посредством плоского
кабеля и, при необходимости, соединение цепей управления тиристорами, а также
подсоединение питания регулятора (зажим 6 на рис 2в) через выключатель на передней
панели. Далее собирают крышку и основание при помощи двух крепежных винтов, после
чего производят оставшихся цепей к разъемам на левой стенке регулятора.
Подключение нагревателей осуществляется через встроенные усилители печи
регулятора либо внешние коммутационные элементы (тиристоры, симистор,
твердотельное реле). При использовании встроенных усилителей регулятора они
подключаются через встроенный автоматический выключатель таким образом чтобы он
ограничивал общий ток двух печей согласно рисунку 3а
Рис 3а. Подключение нагревателей печи с использованием встроенного усилителя регулятора. SW1 –
автоматический выключатель; SW2 – выключатель питания; J2, J3 – выходные разъемы усилителей печи;
X7, X8 – выходные клеммы блоков управления симисторами; J1, J4 – разъемы для подключения входного
сигнала усилителей печи; J7– зажим сетевого питания регулятора.
Штатный оптрон управления тиристорами с переключением при переходе сетевого
напряжения через ноль может быть заменен пользователем либо на аналогичный, при
выходе из строя, либо, при использовании внешнего усилителя взамен встроенного, на
устройство другого типа (транзисторную оптопару, твердотельное реле различных видов)
при необходимости изменения характеристик. При использовании штатной симисторной
оптопары MOC3063 со внешними усилительными элементами подключение нагревателя
печи производится к выходным клеммам блоков управления симисторами по одному из
вариантов, показанных на рисунке 3б. Параллельно анодам симистора может быть
подключен защитный варистор, номинал которого выбирается исходя из напряжения сети.
Для 220-240 Вольт переменного тока он должен составлять 390 В.
9
Рис 3б. Подключение нагревателя печи с использованием внешних усилительных элементов. Выбор типа
симистора или тиристоров производится исходя из мощности нагревателя. Диоды – например типа
КД209А.
Для подключения к клеммной плате используются медные провода сечением 0,15 –
1 мм2. Изоляция с проводов снимается на длину порядка 3 мм, таким образом, чтобы
обеспечить надежное соединение и, в то же время исключить возможность короткого
замыкания между соседними проводами. При использовании подключения
непосредственно к разъему X1 применяется ответный разъем семейства DB-25F либо
аналогичный. Цепь питания электронагревателя печи через внешние усилительные
элементы (тиристоры) на время монтажа должна быть обесточена в обязательном порядке.
Запрещается подача на клеммы и линии разъема X1 напряжений, пиковое значение
которых превышает 2.5 вольта. Следует учитывать, что многие огнеупорные материалы
приобретают при повышенных температурах значительную электрическую проводимость,
что может привести в ряде случаев к попаданию на цепи регулятора недопустимого
напряжения с нагревателя. Необходимо также оберегать электрические цепи регулятора
от воздействия статического электричества.
Присоединение внешних цепей осуществляется согласно таблице 3. К клеммам 3 – 5,
либо к соответствующим контактам разъема X1, подключаются проводники термопар,
имеющие положительный потенциал при нагревании измерительного спая, и
измерительные электроды датчиков давления, обращенные к внутреннему объему
электрохимической системы. Имеющие отрицательный потенциал проводники термопар и
сравнительные электроды объединяются на клемме 6. В случае, если электрохимические
датчик и насос не имеют электрической связи, например через объем твердого
электролита при их конструктивном совмещении, необходимо объединить клеммы 6 и 8 в
единственной точке.
Внешний датчик термокомпенсации устанавливается в непосредственной близости
от точек соединения проводников термопар с медными проводниками, желательно внутри
изотермического кожуха. Регулятор рассчитан на применение датчиков различных типов,
однако оптимальные результаты могут быть достигнуты при использовании датчиков с
токовым выходом, в частности прилагаемой интегральной микросхемы AD592. Для
питания датчиков в конструкции регулятора предусмотрен выход напряжения 5 вольт
(клеммы 2 и 7). Выходной сигнал, Utc измеряемый между клеммами 1 и 2, которые
шунтированы внутренним резистором сопротивлением 4120 Ом, может варьироваться в
диапазоне 0–2.5 В. Датчик AD592 может быть подключен ко клеммной плате (разъему
X1) как показано на Рис 4, либо впаян в клеммную плату (Рис 2в). Одновременно
допускается использование только одного датчика. Температура опорных спаев термопар
Ttc (0С), вычисляется по следующей формуле:
1023
Ttc  (Otc 
 Gtc  U tc ) / 10 (3),
2500
10
где Otc и Gtc – параметры, задаваемые пользователем через раздел «калибровка»
меню настройки; для AD592 они должны быть равны -2730 и 5926 соответственно.
Внешние
цепи
Регулятор
+5V
7
К измерителю
напряжения
1
4120 Ом
2
1
2
3
AD592
Рис 4. Схема подключения датчика термокомпенсации AD592 (показан со стороны выводов).
После подсоединения сигнальных цепей включают напряжения питания регулятора,
оставив усилители печи либо внешние тиристоры обесточенными, и устанавливают
параметры регулятора через меню настройки, руководствуясь текстом раздела «Порядок
работы» в следующей последовательности:
1. Режимы основных входов
2. Коэффициенты для расчета температуры холодных концов
3. Желаемые скорости изменения температуры и давления
4. Пределы выходных сигналов, при этом, во избежание повреждения печи,
верхний предел для регулятора температуры выбирается таким, чтобы он
значительно не превышал необходимой для дальнейшей настройки величины.
Далее путем подачи напряжения на усилительные элементы включается печь, и
подбираются константы регулирования в нижеприведенном порядке:
1. Грубо находятся константы для температуры при задании 200–3000С
2. Производится
увеличение
предела
выходного
сигнала
канала
0
терморегулирования, разогрев до 750–850 С и более точный подбор констант
3. Устанавливается задание по логарифму давления, равное -7 и подбирается Ci
и С3.
4. Задание изменяется до величины, близкой к максимальной для используемой
электрохимической системы и производится подбор Cp.
Для подбора констант рекомендуется установить начальные значения, характерные,
для используемой вами конструкции печи и электрохимической системы. Типичной
конструкции соответствуют следующие значения: CiT=100; CpT=600 (трубчатая печь
небольшого диаметра с термопарой, расположенной посередине), Ci=100; Cp=100; С3=150
(насос и датчик находятся рядом) либо Ci=30; Cp=100; С3=150 (насос и датчик в различных
печах).
11
Порядок работы
При включении питания регулятора на его ЖКИ появляется информация, подобная
изображенной на рисунке 5.
Задание регулятора
давления
Вход 1
Вход 2
Вход 3
Напряжение
на насосе, В
- 3.045aL *a- 3.000*
+ 951.1ºC a+ 950.0
OVERLOAD
-0.41 -0.17 33.1 69
Ток насоса, А
Температура
опорных спаев 0С
Задание регулятора
температуры
Поле ввода
заданий
Управляющий
сигнал на
нагреватели (0-255)
Рис 5.Пример информации отображаемой на ЖКИ регулятора в обычном режиме работы.
В левой части первых трех строк выводятся значения физических величин,
измеренные тремя основными каналами с указанием единицы измерения – mV, 0C или
логарифмические атмосферы (aL). В том случае, когда измеренные значения выходят за
границы, указанные в таблице 1 на месте результатов измерения появляется слово
OVERLOAD. В четвертой строке размещается дополнительная информация. В ее начале
отображаются измеренные значения напряжения на насосе в Вольтах и тока через насос в
Амперах. В любом случае знак минус соответствует давлениям кислорода меньшим
единице и откачке кислорода из внутреннего объема электрохимической системы. Далее
следует значение температуры, полученное с датчика опорных спаев и управляющий
сигнал, подаваемый на нагреватели. Последнее значение пропорционально току нагрева и
может изменяться в пределах от 0 до 255.
Значения заданий обоих регуляторов находятся в правой части двух верхних строк
индикатора. То значение, которое обозначено по краям знаками * * выводится на третью
строку при нажатии клавиши  и становится доступно для изменения. Изменение
значения, отображаемого в третьей строке, осуществляется клавишами < (уменьшение) и
> (увеличение). Данное изменение производится с шагом 100х(вес младшего разряда).
Использование тех же клавиш, при утопленной клавише , приводит к изменениям на
одну единицу младшего разряда. При повторном нажатии  поле ввода значений
очищается, и измененное значение задания вступает в силу. Перемещение * * с первой
строки на вторую и наоборот и, следовательно, смена блока регулирования, для которого
будет производиться корректировка задания, осуществляется посредством клавиши >.
Буква «a» перед заданием обозначает, что конкретный блок регулирования находится в
автоматическом режиме. Если перед тем или иным заданием отображена буква «m», то
соответствующий регулятор, находясь в ручном режиме, подает отображаемое после нее
задание ручного режима непосредственно на свой выход. Нажатие < переводит блок,
задание которого помечено звездочками из автоматического режима в ручной и обратно.
Задания ручного и автоматического режимов запоминаются регулятором отдельно. Так,
например, при переключении в ручной режим на выходе устанавливается то же значение,
которое было задано в ручном режиме ранее.
Если регулятор не находится в режиме корректировки задания и поле ввода пусто, то
длительное одновременное нажатие клавиш  и  (около 6 сек., клавиша  нажимается
первой и отпускается последней) вызывает появление на ЖКИ взамен обычной
информации меню настройки. Выполнение регулирующих функций при этом
продолжается. Меню состоит из четырех разделов, каждый из которых позволяет
изменять значения нескольких параметров работы регулятора. Разделы и параметры
перечислены в таблице 4.
12
Раздел
Input
functions –
назначения
входов
Параметр
Input 1
Input 2
Input 3
Назначение параметра
Режимы работы основных входов
Oxygen
module –
регулятор
парциального
давления
кислорода
Prop. Const
Integr. Const
Rise/fall limit
Cp в уравнении (1)
Ci в уравнении (1)
Скорость изменения фактического задания
при смене целевого 10-4В/час
Максимальное напряжение на насосе 10-4В
Минимальное напряжение на насосе 10-4В
C3 в уравнении (1)
CTp в уравнении (2)
CTi в уравнении (2)
Скорость изменения фактического задания
при смене целевого 0С/час
Максимальное управляющее воздействие
Минимальное управляющее воздействие
Сигнал на выходе для доп. нагревателя
Параметр, задающий режим работы фильтра
АЦП модуля R-318. Пользователь, как
правило, не должен изменять нормальную его
величину, равную 1707. Подробнее смотри
техническое описание микросхемы AD7731.
Диапазон значений 75..2048 соответствует
работе АЦП с прерыванием. Значения
2049..3947 представляют работу без
прерывания в диапазоне настроек фильтра
150..2048.
Otc в уравнении (3)
Gtc в уравнении (3)
Данное значение делится на 10 и добавляется
к напряжению, измеренному каналом в любом
режиме, и выраженному в мкВ, после чего
производится пересчет в выходную для
текущего режима физическую величину.
Thermo
module –
регулятор
температуры
Calibration –
калибровка
Hi output limit
Lo output limit
Const3/Heat2
Prop. Const
Integr. Const
Rise/fall limit
Hi output limit
Lo output limit
Const3/Heat2
AUX ADC
filter
CJC offset
CJC gain
Input 1 offset
Input 2 offset
Input 3 offset
Диапазон значений
Соответствует таблице 1
Кроме того, Oxygen
refinput и Temp refinput –
задания для двух
модулей регулирования
-10000..10000
-10000..10000
1..32568
-20000..20000
-20000..20000
-10000..10000
-10000..10000
1..32568
0..255
0..255
0..255
75..3947
-30000.. 30000
-30000.. 30000
-1000..1000
При входе в меню настройки на первой строке ЖКИ появляется надпись «Exit». При
нажатиях на клавишу > она сменяется названиями различных разделов. Нажатие <
приводит к переключениям в обратном порядке. Когда показываются разделы «Oxygen
module» и «Thermo module» в четвертой строке появляются значения, измеряемые
соответствующим блоку регулирования основным входом. Нажатие клавиши ввод
приводит при отображении названия раздела появлению на второй строке меню выбора
параметров, аналогичного по структуре описываемому меню выбора блоков. Если
отображается надпись «Exit», то нажатие клавиши  приводит к завершению работы
меню настройки и вид индикатора возвращается к изображенному на рисунке 5.
Раздел
Oxygen module
Prop. const
3000
- 3.045aL
Параметр
Значение
параметра
Текущее значение
поддерживаемой
величины
Рис 6. Типичный вид ЖКИ при работе с меню настройки.
13
При выборе «Exit» в меню параметров происходит возврат в меню блоков. Если
выбран какой либо параметр, то после нажатия  его значение выводится на третью
строку ЖКИ. В том случае, когда выбирается режим работы входа, названия режимов в
третьей строке переключаются клавишами < и >. Выбор режима подтверждается
нажатием клавиши ввод. Если режим входа был изменен, то происходит реинициализация
регулятора и возврат к обычному режиму работы. В остальных случаях происходит ввод
числового параметра, который производится по той же методике, что и ввод задания.
После этой операции активизируется меню выбора параметров соответствующего блока.
Когда становится необходимо вернуться в основной режим работы, последовательно
выбирают пункт «Exit» в меню выбора параметров и в меню выбора блоков.
Устройство и работа модуля R-318
На рисунке 7 представлена упрощенная схема модуля. Модуль содержит
четырехканальный аналого-цифровой преобразователь, обозначенный как 4 вольтметра
V1 – V4. Каналы V1 и V3 для измерения ЭДС двух термопар типа ПП. Данные термопары
используются для измерения температуры образца в том случае, когда термопара,
подключенная ко второму основному каналу регулятора, помещена в непосредственной
близости от нагревателя для упрощения поддержания постоянной температуры. Если
производится измерение термо-ЭДС образца, то спаи термопар должны иметь с ним
электрический контакт с различных его концов. При этом собственно термо-ЭДС
снимается с платиновых электродов термопар и измеряется каналом V2. Вблизи
термопары, условно названной «нижней» следует поместить дополнительный
нагреватель. При изменении мощности этого нагревателя происходит изменение разности
температур концов образца, и собственно значения термо-ЭДС. Коэффициент термо-ЭДС
(относительно платины) при этом будет равен (U2-U1)/ (T2-T1), где U1 и U2 напряжения
измеренные каналом V2 при температурах T1 и T2 соответственно.
При измерении электропроводности образец подключается через токовые контакты
последовательно с источником напряжения 1.2V и мерой сопротивления 100 Ом.
Параллельно мере сопротивления для измерения величины протекающего тока подключен
вольтметр V4. Напряжение, снимаемое с образца потенциальными контактами,
измеряется при помощи V2. Если одновременно производится измерение термо-ЭДС, то
потенциальными токоподводами служат платиновые проволоки термопар. Искомая
удельная электропроводность может быть вычислена по формуле

L(U 4  U 40 )
L

RS R0 S (U  U 20 )
2
(4)
где L – расстояние между потенциальными контактами, S – площадь поперечного
сечения образца, R0=100 Ом – величина образцовой меры сопротивления, U4 и U04 –
напряжение на образцовой мере сопротивления при замкнутой и разомкнутой цепи
источника напряжения соответственно, U2 и U02 – напряжение на потенциальных
контактах при замкнутой и разомкнутой цепи источника напряжения соответственно.
Вышеописанные
методы
измерения
коэффициента
термо-ЭДС
и
электросопротивления
позволяют исключить или значительно ослабить влияние
большинства источников погрешности.
Среди них паразитная ЭДС образца,
систематическая погрешность термопар, а также собственно погрешность измерения
напряжения. По существу происходит сравнение измеряемого сопротивления со
значением эталонной меры, содержащейся в модуле и коэффициента термо-ЭДС с
табулированными значениями для сплава Pt+10% Rh (термо-ЭДС термопары ПП).
14
Рис 7. Упрощенная принципиальная схема модуля R-318.
В модуль может быть установлен дополнительный оптрон U4 для коммутации
внешних цепей (см сборочный чертеж в приложении). В таблице 4 показано соответствие
клемм регулятора и выводов оптрона. В качестве оптрона U4 может быть использован,
например, MOC3063. Оптрон в текущей версии регулятора не задействован. При
установке модуля в регулятор предыдущей модели Zirconia-318, он предназначен для
подключения дополнительного нагревателя, используемого при измерении термо-ЭДС.
При этом, если дополнительный нагреватель имеет достаточно высокое сопротивление
для питания напряжением 220В, возможно подключение аналогичное показанному на рис
3. Однако, так как изготовление и размещение в измерительной ячейки такого нагревателя
затруднено, целесообразно использование понижающего трансформатора, как показано на
рис. 8.
Также модуль содержит источник тока с управляемой полярностью. Он
предназначен для реализации методики кулонометрического титрования. Кислородный
насос кулонометрической ячейки подключается к клеммам 14 и 16, при этом фактический
ток титрования измеряется также как при измерениях электропроводности.
Все результаты измерений, производимых посредством модуля, передаются на
компьютер через последовательный интерфейс и на индикаторе не отображаются. Для их
получения следует использовать специальное программное обеспечение для работы с
регулятором.
Работа с программой регистрации
Текущая версия программы регистрации обеспечивает запись изменения всех
параметров регулятора и измерение электропроводности. Для ее запуска необходим
персональный компьютер следующей конфигурации: ЦП Pentium II и выше, не менее 64
Мб ОЗУ, COM-порт, к которому подключен регулятор, ОС Windows
98/ME/NT4.0/2000/XP/Vista/7. Объем данных, с которым возможна нормальная работа,
определяется быстродействием ЦПУ и количеством оперативной памяти. Установка
программы на компьютер производится путем копирования файла zrgraph.exe в пустой
каталог. При использовании кабеля или переходника с интерфейсом USB может
15
потребоваться инсталляция драйверов в соответствии с инструкцией к переходнику
(кабелю).
Для начала работы необходимо выполнить соединение с регулятором. При выборе
команды «Подключиться» в появившемся окне необходимо указать необходимый номер
последовательного порта. После этого начинается регистрация всех передаваемых
регулятором данных с периодом, задаваемым через диалог «Период обновления». Все
собранные данные, включая параметры которые не отображаются на графике, могут быть
записаны на диск в собственном формате программы по команде «Файл/Сохранить» для
дальнейшего использования либо уничтожены командой «Очистить».
Отображение данных в виде графиков задается в окне «Настройка». Там
определяются, в частности пределы для координатных осей по умолчанию для
отображаемого графика. Задание равных верхнего и нижнего пределов приводит к их
автоматическому выбору. Также в этом диалоге производится выбор величин для
отображения. Нужная величина выбирается из списка и нажимается кнопка с желаемым
для ее графика цветом. Кнопка с изображением мусорной корзины исключает величину из
списка отображаемых. Участок графика может быть увеличен посредством мыши (нужно
установить курсор в верхний левый угол нажать и удерживать левую клавишу, перемещая
его в нижний правый). Масштаб графика приводится в состояние по умолчанию командой
«Сброс увелич». Отображаемые на графике данные могут, посредством команды
«Данные/Записать на диск», быть экспортированы в текстовой файл, состоящий из
соответствующего числа колонок для последующей обработки в сторонних приложениях.
16
Приложение 1
Типичные неполадки и способы их устранения (таблица 5)
Проявление
При включении
отсутствует изображение
на индикаторе, подсветка
и звуковые сигналы при
нажатии кнопок
управления
То же самое, но на
индикаторе отображаются
две горизонтальные
полосы.
Возможная причина
Регулятор не подключен в сеть,
неисправность провода питания
или неправильный монтаж
Способ устранения
Проверить провод
питания, наличие
напряжения в сети и
правильность
подключения.
При включении питания была
нажата кнопка 
Убедится, что кнопка
нажимается свободно
выключить и снова
включить регулятор
Нет изображения на
индикаторе или
изображение плохо
различимо, подсветка и
звуковые сигналы при
нажатии кнопок есть
Регулятор отображает
«OVERLOAD» вместо
показаний основных
входов или показания
«странные» и хаотически
изменяются
Не отрегулирована
контрастность индикатора
Отрегулировать
контрастность при
помощи винта передней
панели
Обрыв в цепи датчиков
(термопары, кислородные
сенсоры), неисправность или
неверное подключение датчиков.
Обрыв общего провода основных
входов приводит к
невозможности измерений по
всем 3 каналам. Невозможность
измерения температуры также
приводит к невозможности
измерения давления кислорода.
Выход измеряемых величин за
пределы, указанные в таблице 1
либо слишком низкая
температура для корректной
работы кислородного сенсора
«Нереально» высокое
Перепутана полярность
давление или низкая
подключения соответствующего
температура, при чем
датчика (кислородного сенсора,
датчик термокомпенсации термопары)
работает нормально.
При нагреве печи
температура
уменьшается.
Значительно искаженные Неправильно установлены
показания по основным
режимы входов
входам
Наблюдается аномальная Короткое замыкание
зависимость показаний
измерительных цепей с
регулятора от
силовыми
электрических токов в
системе.
Измеряемое значение
Короткое замыкание в цепи
17
Проверить датчики и
подключающие их
провода
Привести измеряемые
величины в рабочий
диапазон
Сменить полярность
Проверить режимы
Устранить замыкание.
Проверить датчики и
давления кислорода
всегда близко к
атмосферному а
температуры к –
температуре холодных
концов, при том что в
действительности оно
меняется
Показывается
температура холодных
концов близкая к
абсолютному нулю,
показания по основным
входам соответственно
искажены
Заведомо неверная
температура холодных
концов
соответствующего датчика или
его неисправность
подключающие их
провода
Неверная полярность
подключения датчика
термокомпесации либо обрыв в
его цепи
Проверить подключения
датчика
термокомпесации.
Неверные константы калибровки
термокомпесации
Неверный тип датчика
Неправильное расположение
датчика.
Проверить константы
Небольшие ошибки при
измерении температуры
Сбито значение Input offset
Неправильное расположение
датчика термокомпенсации.
Печь не нагревается
Неправильно подключена печь
или тиристорный усилитель
Перегорели нагреватели печи
либо обрыв в ней
Не подключен тиристорный
усилитель
Неисправность внешнего
усилителя
Задано слишком низкое
ограничение для тока печи
18
Заменить датчик
Разместить датчик вблизи
соединения проволок
термопары с медными
проводами
Закоротить основные
входы регулятора, и
перевести их в режим
30mV, после чего
корректировкой Input
offset добиться
показаний, близких к 0.
Разместить датчик вблизи
соединения проволок
термопары с медными
проводами
Проверить подключение
печи. В случае если
неправильное
подключение вызвало
выход из строя
предохранителя и/или
оптрона произвести их
замену после устранения
ошибок.
Проверить сопротивление
печи, при необходимости
произвести ее ремонт
Проверить питание
усилителя и его
выключатель при наличии
Проверить усилитель в
том числе предохранитель
в цепи печи
Проверить настройки
Печь нагревается
самопроизвольно
При включении откачки
происходит накачка и
наоборот
При откачке удается
создать давление
кислорода незначительно
меньшее давления
кислорода на воздухе,
тогда как при накачке
удается создать
«фантастически» большое
давление кислорода
При подаче напряжения
на кислородный насос
давление не изменяется,
ток через насос равен 0
или очень мал.
При подаче напряжения
на кислородный насос
давление изменяется
слабо. При росте
напряжения на насосе от
0 (в сторону откачки) ток
быстро растет, пока не
достигает максимального
для насоса значения.
Неудовлетворительное
автоматическое
регулирование
Различные варианты
неадекватного поведения
регулятора
19
Неисправность внешнего
усилителя
Замыкание в цепи контактов
управления усилителем или
неправильное подключение
усилителя
Задано нижние ограничение тока
печи. Отличное от 0
Перепутана полярность
подключения кислородного
сенсора
Перепутана полярность
подключения кислородного
насоса
Перепутана полярность
подключения, как кислородного
сенсора, так и кислородного
насоса
Проверить усилитель
Обрыв в цепи насоса
Неисправность кислородного
насоса
Слишком низкая температура
для работы насоса
Нарушение герметичности печи
Устранить обрыв
Заменить насос
Неверно заданны константы
регулирования
Произвести подбор
констант
Сбой памяти конфигурации
Проверить, что бы все
значения параметров
настройки находились в
пределах, указанных в
таблице 5, значения всех
заданий и режимов
входов были верными
Проверить подключение
Проверить настройки
Сменить полярность
подключения
Сменить полярность
подключения
Сменить полярности
подключения
Увеличить температуру
Устранить
негерметичность
Приложение 2. Протокол работы с интерфейсом RS232
Данный раздел предназначен для изучения программистами, создающими
математическое обеспечение информационно-вычислительных систем с использованием
регулятора Zirconia-М.
Работа с интерфейсом RS232 происходит в режиме: 19200 бит/сек, 8
информационных и 2 стоповых бита без проверки четности. При этом из регулятора
циклически производится передача информации об его состоянии следующего вида:
С3 3333333333
C2 2222222222
C1 1111111111
T1 T1
U1 U1
I1 I1
T2 T2
U2 U2
I2 I2
URUUUUU
IR IIII
RT RRRRRR
TR TTT
COCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCСССССССССССССС
СССССССССССС
где 3333333333, 2222222222 и 1111111111 – значения измеренные
каналами 3, 2 и 1 соответственно, T1 и T2 – напряжение на верхней и нижней
термопаре соответственно U1 и I1 напряжение на образце и напряжение на образцовой
мере сопротивления при разомкнутой цепи источника напряжения U2 и I2 – тоже при
замкнутой, UUUUU и IIII измеренные напряжение и ток насоса, RRRRRR – температура
с датчика опорных спаев термопар, TTT – управляющий сигнал нагревателя печи в
диапазоне 0..255, C – шестнадцатеричное представление памяти конфигурации регулятора
(64 байта, 128 символов 0..F). Все значения представлены в том же виде что и на ЖКИ.
Так, результаты измерений основными каналами содержат в качестве двух последних
символов наименование единицы измерения. Результаты измерений АЦП модуля
расширения представлены в милливольтах.
Формат памяти представлен в таблице 5. Управление регулятором через интерфейс
производится посредством изменения памяти конфигурации. Такое изменение
производится посредством передачи в регулятор через интерфейс строки символов вида
W <пробел> <адрес слова> <пробел> <значение слова><пробел>
<адрес слова-1> <пробел> <значение слова+1>
Где <адрес слова> – адрес двухбайтного слова в памяти (1–31, десятичная запись),
<значение слова> – записываемое в дополнительном коде слово (-32768 – 32767,
десятичная запись). <адрес слова-1> и <значение слова+1> представляют собой
уменьшенный на единицу адрес и увеличенное на 1 значение слова. Они необходимы для
контроля правильности приема-передачи. Эта строка должна быть полностью передана в
регулятор за время, не превышающее 0.06 секунды. Команда, формат которой не
соответствует описанному выше, либо переданная ранее, чем через 0.8 секунды после
предыдущей, игнорируется.
Если требуется изменить только один байт, значение слова вычисляется с
использованием считанной из памяти конфигурации. Формат памяти конфигурации
приведены в таблице 6, а примеры команд в таблице 7.
20
Таблица 6. Формат памяти конфигурации.
60
61
62
Слово
Канал/ блок
Формат
2
3
4
1
5
2
6
1
7
2
8
1
9
2
10
1
11
2
12
1
13
2
14
1
15
2
16
3
17
18
Назначение
Калибровочный множитель
1
1
2
3
1и2
19
1
20
2
21
1
22
2
23
1
2
Целое со знаком в дополнительном коде. Все значения соответствуют таблице 4.
Байт
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
См. 1*
Gtc в уравнении(3)
Otc в уравнении(3)
Cp в ур. (1)
Ci в ур. (1)
CTp в уравнении (2)
CTi в уравнении (2)
Макс. скорость изменения задания
Максимальный выходной сигнал
Минимальный выходной сигнал
Поправки для основных входов
Режим работы основных каналов.
См. 2*
Задания автом. режима
Целое со
знаком в доп.
коде
Уставки ручного режима (*10мВ для канала 1)
24
25
См. 3*
Режимы работы регуляторов
См. 4*
Управление модулем R-318
C3 в ур. (1)
1
Ток доп. Нагревателя
26
27
28
Верхняя
термопара
Нижняя
термопара
29
Напряжение
30
Ток
31
R-318
Целое со
знаком в доп.
коде
Целое без
знака
Поправки для результатов измерения АЦП
модуля R-318. (не реализовано к настоящему
моменту)
Настройка фильтра АЦП
1* 00 – 2000 mV; 01 – 300 mV; 02 – 30 mV; 03 – Log(Po2)/2; 04 – Log(Po2)/3; 05 – ТПП (S);
06 – ТХА (K); 07 – ТПР (B)
21
2* 00 – Когда задания для каналов 1 и 2 определяются пользователем, 08 – выход канала 3
служит заданием для регулятора давления (байт 35 нужно установить в то же значение,
что и 33), 09 – выход канала 3 служит заданием для регулятора температуры (байт 35
нужно установить в то же значение, что и 34).
3* 00 – автоматическое регулирование; FFh – ручное задание выходного сигнала
4* байт 48: FFh – включение измерительного тока определяется 5 битом 47 байта
(сопротивление не измеряется), 0 – измерительный ток периодически включается
регулятором для обеспечения измерений электропроводности. Байт 47, биты 0..4 и 7 не
используются, бит 5: 1 – измерительный ток включен, 0 – измерительный ток выключен,
бит 6: 1 – стабилизатор тока 1 мА работает как источник тока, 0 – как приемник.
Команда
W 4 100 3 101
W 8 10000 7 10001
W 11 100 10 101
W 12 -12000 11
-11999
W 17 1536 16 1537
W 18 2051 17 2052
W 18 0 17 1
W 20 7000 19 7001
W 23 0 22 1
W 23 255 22 256
W 23 -256 22 -255
W 23 -1 22 0
W 24 -224 23 -223
W 24 0 23 1
W 24 -256 23 -255
W 24 -192 23 -191
22
Таблица 7. Примеры команд конфигурации.
Начальные
Выполняемое действие
условия
Установка значения константы Cp для закона
регулирования давления равного 100.
Ограничение скорости изменения задания по
каналу 1 до 1 Вольта в час
Ограничение максимального выходного сигнала
на нагреватель до 100 единиц.
Ограничение снизу напряжения на насосе
значением 1.2В
Переключение канала 1 в режим 2000 mV и
канала 2 в режим ТХА (K)
Канал 1 в
Значение, получаемое с выхода канала 3,
режиме
становится заданием для регулятора давления
Log(Po2)/2
Задание для регулятора давления задается
пользователем, канал 3 переводится в режим
2000 mV
Канал 2 в
Задание терморегулятора устанавливается
режиме работы с
равным 7000C
термопарой
Оба регулятора переводятся в ручной режим
Регулятор давления переходит в автоматический
режим, регулятор температуры – в ручной
Регулятор температуры переходит в
автоматический режим, регулятор давления – в
ручной
Оба регулятора переводятся в автоматический
режим
Отключение измерительного тока модуля R-318
Измерительный ток периодически включается
для измерения электропроводности.
Измерительный ток включен постоянно и
втекает в контакт 16
Измерительный ток включен постоянно и
вытекает из контакта 16