В работе представлены краткие теоретические сведения о применяемом датчике и представлена принципиальная схема модуля обработки информации на основе микроконтроллера фирмы Microchip Technology Inc. PIC18F4550. Показана возможность применения данного микроконтроллера для разработки измерителя коэффициента температуропроводности.
Ключевые слова: коэффициент температуропроводности, микроконтроллер, пироприемник.
Температуропроводность (коэффициент температуропроводности) — физическая величина, характеризующая скорость изменения (выравнивания) температуры вещества в неравновесных тепловых процессах. Численно равна отношению теплопроводности к объёмной теплоёмкости при постоянном давлении, в системе СИ измеряется в м²/с [1].
В основу измерения температуропроводности твердых тел положен метод Паркера. В классической работе У. Паркера и др., опубликованной в 1961 г. [2], предложен импульсный способ определения ТФХ. Метод Паркера в его различных воплощениях доминирует в мировых исследованиях по температуропроводности, в особенности, при анализе высокотеплопроводных материалов и тонких пленок. Модификация метода включают учет теплоотдачи на поверхностях изделия, конечных размеров образцов и конечной длительности реальных импульсов нагрева.
Этот метод заключается в том, что тонкий образец облучают короткими импульсами лучистой энергии, которая поглощается в тонком слое фронтальной поверхности образца. Вызванное облучением возмущение температуры тыльной поверхности образца регистрируется прецизионным температурным датчиком с очень малым временем термической реакции. По зависимости температуры обратной поверхности образца от времени определяют температуропроводность (коэффициент термической диффузии). Полученная в этом случае информация содержит данные, связанные с коэффициентом температуропроводности (термической диффузии), теплоемкостью и теплопроводностью образца.
В общем виде уравнение преобразования имеет вид:
где 
температуропроводность тела.
Оригинальный метод Паркера применяется при следующих допущениях (идеальная модель):
- Адиабатный, изотропный, гомогенный образец;
- Однородный импульсный нагрев;
- Стремящаяся к нулю длительность импульса.
Рис. 1. Термограмма тыльной поверхности образца. А — идеальная кривая; В,С — реальные кривые
Методы. Достаточно долго в «НИИ интроскопии» ведутся работы связанные с внедрением методов и оборудования теплового контроля статуса вращающихся печей для обжига, используемых, например, в изготовлении цемента. Представленный метод Паркера применялся для идентификации ТФХ обмазки, образующейся на поверхности внутри печи в процессе работы [3]. Идентификация свойств обмазки необходима для создания модели тепловых процессов, протекающих в печах и разработки ряда управляющих влияний на печи. Одна из основных проблем в осуществлении метода Паркера — необходимость создания образцов с плоскопараллельной поверхностью.
Образец нагревали с помощью галогенной лампы КГ220/1000, температуру измеряли на задней поверхности с помощью тепловизора Thermovision570 (диапазон длин волн 7…13 мкм, температурное разрешение 0,1 °С, формат кадра 320×240, частота кадров 25 Гц). Записывали до 50 термограмм с интервалом 3 с. Обработку изображений проводили с использованием программы ThermoFit Pro, включая первичную фильтрацию данных по пространству и во времени, вычисление времени и определение температуропроводности.
Во время измерения коэффициента температуропроводности материалов с высоким коэффициентом теплопроводности наблюдается быстрый отклик от тыльной поверхности образца (металла), поэтому было предложено разработать устройство, измеряющее коэффициент температуропроводности на базе пироприемника компании Murata Manufacturing Co., Ltd — IRA-E700. Данный тип пироприемников применяется в системах охранных сигнализаций в качестве индикаторов дыма, равно как и в автоматизированных системах освещения.
PIR (PassiveInfraRed) — детекторы или пассивные инфракрасные пироприемники, предназначены для определения перемещения тепловой зоны на постоянном фоне. Во всех случаях пироприемник используется совместно с внешней оптической системой, осуществляющей разделение пространства на прозрачные и непрозрачные температурные секторы и фокусировку инфракрасного излучения с контролируемого объема на чувствительный элемент. Основой пироэлектрического датчика является фотоэлемент, чувствительный к инфракрасному излучению, который вырабатывает электрический сигнал пропорциональный величине излучения. Для согласования фотоэлемента со схемой и первоначального усиления сигнала используется полевой транзистор. В варианте в котором датчик будет построен лишь на одном фотоэлементе, то он сработает не только от движущихся объектов, но и просто от внешней температуры, солнечных лучей, от радиаторов отопления и изменения температуры самого датчика, точнее его корпуса.
Как отмечалось выше, в разрабатываемом приборе используется пироприемник IRA-E700, поэтому для построения принципиальной схемы необходимо ознакомиться с технической документацией и типовой схемой включения данного типа пироприемника [4].
Рис. 2. Схема включения пироприемника IRA-E700
Сигнал с пироприемника чрезвычайно мал для оперирования с ним, благодаря этому он протекает через два ОУ и на выходе может варьироваться от 0 до 5В. Данную часть схемы мы можем подключить к схеме с аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), обрабатывающим и оцифровывающим данный сигнал. Поскольку зависимость напряжения на выходе пироприемника от входящего на него потока инфракрасного излучения линейная, то разность потоков в процессе срабатывании индикатора прямо пропорциональна спаду напряжения на выходе ОУ.
Данную аналоговую часть приборной схемы будем подключать к АЦП в составе микросхемы фирмы Microchip — PIC18F4550 [5]. Внутри данной микросхемы мы имеем модуль сопряжения с ПК по USB2.0. PIC18F4550 имеет 32 Кбайта FLASH-памяти. Портов ввода/вывода для PIC18F4550–35. Важным достоинством можно считать наличие 10-рязрядных АЦП, которых также в избытке: 13 АЦП. Аналогово-цифровые преобразователи преобразовывают аналоговый сигнал в цифровой вид. В нашем случае от 0 до 5 В. Не сложно подсчитать, что разрешение такого 10-разрядного АЦП будет 5/1023=0,0049 В.
За основу цифрового модуля обработки информации с датчика была взята принципиальная схема сопряжения периферийных устройств с персональным компьютером через USB, представленная в открытом доступе в статье на сервере радиолюбителей Беларуси [6].
Рис. 3. Цифровой модуль обработки информации с датчика
Обратив внимание на второй рисунок, можно увидеть, на первый канал АЦП подается сигнал потенциометра, подающий на вход АЦП напряжение амплитудой от 0 до 5В (на рисунке 3 эта часть схемы не показана). Если мы подключим вместо потенциометра к входу АЦП схему, изображенную на рисунке 2, мы получим цифровой модуль обработки данных с пироприемника.
Постоянная связь с ПК подразумевает, что не плохо бы было и программировать данный микроконтроллер через порт USB, тем более что довольно неприятно выпаивать микросхему, особенно при поверхностном монтаже. Это обстоятельство учли разработчики Microchip. Поэтому далее мы пойдём именно по этому пути, хотя никто не запрещает прошивать каждый раз стандартным программаторами для LPT или COM.
В начале воспользоваться COM-программатором, к сожалению, придётся. Изначально нам необходимо записать в начальную область памяти так называемый bootloader — эта программа написана программистами Microchip. Этот самый bootloader необходим в процессе работы с программой от программатора USB. Прошивка программы bootloader осуществлялась с помощью универсального программатора для схем компании Microchip и программ COMPIC. После прошивки bootloader'а в микроконтроллер и сборки платы подключаем ее к компьютеру. После подключения ничего не происходит. Не удивительно, ведь основная область памяти пуста. Для того, чтобы «зашить» её, загрузим микроконтроллер в режиме bootloader. Для этого нажимаем кнопку Boot и, удерживая её кратковременно, нажимаем Reset. ОС Windows определит неизвестное USB-устройство. Драйвера можно загрузить с официального сайта Microchip. Для прошивки исполняющей программы микроконтроллера используем программу PICDEM.
В схеме, представленной на рисунке 2, входное напряжение АЦП AN0 подается с помощью переменного потенциометра, т. е. на вход АЦП поступает напряжение амплитудой от 0 до 5В используя делитель напряжения. Схема подключения пироприемника адаптивна и также выходное напряжение от 0 до 5В. Таким образом, мы можем совместить аналоговую и цифровую часть схемы и получим прибор, который выполняет следующую операцию — пироприемник (датчик) принимает поступающее на него инфракрасное излучение и выдает на выходе импульс напряжения (небольшой), который с помощью схемы усиления (ОУ LM358) попадает на вход АЦП. Здесь напряжение оцифровывается микроконтроллером, и выдается на компьютер через интерфейс USB2.0 в виде десятиразрядного двоичного числа.
Таким образом стоить обратить внимание на персональные компьютеры как на средство взаимодействия пользователя с агрегатами автоматических систем управления. В нашем случае, персональный компьютер выступает средством расчета коэффициента температуропроводности по данным, поступающим с датчика через модуль цифровой обработки информации на базе микроконтроллера PIC 18F4550.
Литература:
1. Температуропроводность // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Температуропроводность (дата обращения: 10.05.2015).
2. Parker W. J., Jenkins R. J., Butler C. P., Abbot G. L. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity//J.Appl.Physics. — 1961. — V.32 — № 9. — P.1679–1684.
3. Torgunakov V., Vavilov V. Inspecting rotating kilns used in cement production: line scanners and data processing//Thermosense XXV: Proc. SPIE. — 2003. — V. 5073. — P. 385–494.
4. Pyroelectric Infrared Sensors IRA-E700 Series Data Sheet [электронный ресурс]. — режим доступа: http://www.murata.com/. — Загл. с экрана.
5. PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet [электронный ресурс]. — режим доступа: www.microchip.com. — Загл. с экрана.
6. Сервер радиолюбителей Беларуси|AMATAR.BY Belarus hamradio site. [электронный ресурс]. — режим доступа: http://amatar.by/index.html — Загл. с экрана.
