Приборы и техника эксперимента, 2020, № 6, стр. 133-134

Устройство предназначено для импульсного теплового тестирования состава и свойств веществ [1, 2]. Тепловое воздействие на исследуемое вещество осуществляется путем импульсного разогрева проволоки из платины или никеля диаметром 20–30 мкм, длиной от 3 до 10 мм.

Нагреватель сопротивлением от 1 до 6 Ом размещен в отверстии на печатной плате размером 15 × 7 × 3 мм. Печатная плата является зондом, погружаемым в исследуемую среду. Время остывания нагревателя в масле составляет несколько миллисекунд. На плате зонда дополнительно размещена микросхема для определения температуры среды с цифровым выходом (рис. 1).

Рис. 1.

Внешний вид печатной платы зонда. 1 – датчик средней температуры образца, 2 – проволочный нагреватель R_н.

Режим управления нагревом программируется оператором на компьютере и передается по интерфейсу USB в микропроцессорное устройство. Последнее задает ток нагрева и обеспечивает считывание сигнала отклика от проволочного терморезистора, который совмещает функции нагревателя и датчика своей температуры, а также считывание с датчика температуры образца.

Структурная схема микропроцессорного устройства с зондом показана на рис. 2.

Рис. 2.

Микропроцессорное устройство нагрева с зондом. МК – микроконтроллер STM32F205; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ЦАП – цифроаналоговый преобразователь; AMUX – аналоговый мультиплексор; ГТ – генератор тока; R_т – токоизмерительное сопротивление; R_н – терморезистор-нагреватель; ОУ – операционный усилитель; К – компаратор; ДТ – датчик температуры; ПК – персональный компьютер.

Генератор тока ГТ построен на основе линейного стабилизатора на полевом транзисторе и операционном усилителе ОУ, сигналом обратной связи которого служит падение напряжения на токоизмерительном резисторе R_т. Управление блоком ГТ аналоговое, ток пропорционален входному напряжению управления, которое формируется аналоговым мультиплексором AMUX и цифроаналоговыми преобразователями ЦАП₁, ЦАП₂.

Комбинацией логических состояний на адресных линиях AMUX задается выбор между тремя напряжениями управления: выход ЦАП₁, выход ЦАП₂, нулевое напряжение. Подача нулевого напряжения выключает ГТ и позволяет избежать переходных процессов на этапе загрузки новых значений ЦАП.

Для выполнения двухимпульсного нагрева [3] требуется обеспечить снижение тока в момент достижения заданной температуры нагревателя на первом импульсе нагрева. С этой целью на выходе ЦАП₃ формируется опорное напряжение, соответствующее значению напряжения на выходе ОУ₂ в момент переключения. Блок компаратора К с защелкой сравнивает уровни напряжений с ЦАП₃ и с выхода ОУ₂ и формирует сигнал управления D2 AMUX для переключения напряжения управления ГТ. Микроконтроллер МК осуществляет предварительную обработку данных, полученных от АЦП: вычисляет начальное сопротивление нагревателя и рассчитывает кривые изменения сопротивления от времени для первого и второго импульсов.

Исследования веществ с различными теплофизическими свойствами требуют различных режимов нагрева. Для образцов с низкими температурой кипения и теплопроводностью применяются низкие напряжения на нагревателе, что требует от измерительного канала высокой чувствительности. Напротив, для образцов с высокими температурой кипения и теплопроводностью, а также при применении проволочных нагревателей с повышенным сопротивлением необходимо иметь достаточный динамический диапазон измерительного тракта.

В связи с этим выбрана двухканальная схема измерения падения напряжения на сопротивлении нагревателя R_н через усилители ОУ₂ и ОУ₃ с разными коэффициентами передачи [4].

Канал ОУ₂ + АЦП₂ служит для записи процесса разогрева нагревателя токами до 5 А с длительностью порядка сотен микросекунд. Применен 12-разрядный АЦП, встроенный в МК, с временем выборки 500 нс, что образует “грубый” быстродействующий канал с широким динамическим диапазоном. Связка ОУ₃ + АЦП₃ образует “точный” канал, построенный на 16-разрядном АЦП AD7685, с временем выборки 4 мкс. Данный канал используется для записи миллисекундных процессов второго импульса нагрева на токах до 0.7 А.

На время подачи импульсов тока и в процессе цикла измерений питание схемы осуществляется от емкостных накопителей, импульсные преобразователи питания в устройстве временно отключаются.

Основные технические характеристики. Устройство позволяет в заданном режиме управлять процессом нагрева с микросекундным разрешением при длительности импульса 0.1–100 мс. Зонд подключается с помощью кабеля длиной до 2 м. Средний уровень шума измерительного канала второго импульса в частотном диапазоне до 200 кГц составляет около 0.3 мВ, что обеспечивает разрешение 0.5 К для температуры нагревателя. На основе представленного устройства разработан прибор определения влагосодержания в индустриальных маслах в диапазоне 5–100 ррm [5].