Химия скачать реферат

[ книги ] [ рефераты ] [ тесты ] [ ридеры ] [ регистрация ] [ вход ]
[ новинки книг ] [ категории книг ] [ правила ]

Аналитические электронные лабораторные весы скачать реферат

СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА

Идея создания электронных лабораторных весов аналитичес-
кого класса точности (до 0.0001 г) возникла после посещения нами
презентации Казахстанского представительства фирмы "Metler-Tolledo"
(США-Швецария), проведенной в городе Рудный в мае 2000 года на
базе акционерного общества Соколовско-Сарбайское горно-производ-
ственное объединение (АО ССГПО).
Представленные на ней аналитические электронные лабораторные
весы имели очень высокую стоимость и, по понятным причинам, не мог-
ли быть приобретены нами. У персонала презентующего продукцию этого
всемирно известного производителя весов нам удалось установить толь-
ко то, что измерительный узел представляет собой тензодатчик вы-
сокой точности, стоимость которого составляет 3/4 всего изделия.
Точность - это визитная карточка данной фирмы, так например у
закупленных АО ССГПО железнодорожных весов точность составляет
400 грамм, которая при существующих требованиях стандарта к точ-
ности данного класса весов в 1% представляется просто фантастичес-
кой.
Объем литературных источников по этому вопросу весьма скуден
и ограничен, в основном, общими знаниями. Из работы [1] мы выяс-
нили, что тензодатчик аналитического класса точности представляет
собой объемную конструкцию из шайб сплавов редких и драгоценных
металлов, обладающих свойством изменения электрических параметров,
например сопротивления, при малейших механических воздействиях
на них. Весьма непростыми являются при этом и устройства измере-
ния, так как определяемый параметр изменяется не только от меха-
нического воздействия, но и от целого ряда других параметров, са-
мым определяющим из которых является температура. Мы смогли най-
ти только тензорезисторы, изготовленные из меди, которые обладают
недостаточной чувствительностью к небольшим изменениям внешнего
давления на них, поэтому от этого подхода мы отказались сразу.
Малопривлекательными для изготовления в условиях школы по-
казались нам и электронно-механические виды аналитических весов,
в которых система противовесов и кодовых шкал с компенсторами [1]
просто не могла быть воспроизведена вне лаборатории точной ме-
ханики и оптики.
В процессе анализа литературных источников нам пришла идея
использования для взвешивания силы взаимодействия магнитного и
электрических полей. Так например, если на магните расположить
катушку, на которую положено взвешиваемое вещество, то при про-
пускании через нее постоянного тока, заранее определенной поляр-
ности, вокруг катушки возникает противоположно направленное элек-
трическое поле и при определенной величине тока вес вещества бу-
дет преодолен и нам остается только выполнить исследование зависи-
мости вес - величина электрического тока.
Однако весы данной конструкции имеют один недостаток - не-
возможность взвешивания материалов обладающих магнитной индукци-
ей, например железных стружек, но список таких материалов незначи-
телен и им можно пренебречь.

СТРУКТУРА ПРЕДЛАГАЕМЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ ВЕСОВ

Структура электронных аналитических весов с магнитно-элек-
рическим датчиком веса должна безусловно включать в себя микро-
контроллер для обеспечения быстрого подбора значения электричес-
кого тока, достаточного для преодоления веса. В настоящее время
спектр таких изделий очень широк, но мы выбрали однокристальную
электронную вычислительную машину (ОЭВМ) КР1816ВЕ51 [3,4], исхо-
дя из следующих соображений:
1) компактность исполнения - практически весь спектр воз-
можностей вычислительной машины скомпанован в одной микросхеме;
2) высокое быстродействие - 1000000 операций в секунду;
3) достаточно большой объем внутренней памяти для программы
пользователя - 4 кБ;
4) наличие коммуникационного последовательного программи-
руемого порта для связи с IBM-совместимым компьютером, что очень
важно как с точки зрения отладки программного обеспечения аналити-
ческих веов, так и с точки зрения внешнего управления ими, хра-
нения и статистической обработки производимых взвешиваний;
5) двухуровенная система обработки прерываний для обслужива-
ния событий от шести источников запросов, например поднятие навес-
ки;
6) простой ввод/вывод 32-х дискретных сигналов (есть сиг-
нал - 5 В, нет сигнала - 0 В);
7) два встроенных таймера для точного отслеживания малых и
больших временных интервалов, независимо от действий выполняемых в
данный момент программой;
8) достаточно простой Ассемблер с широкими возможностями в
области арифметики и логики;
9) наличие в нашем распоряжении компилятора Ассемблера и ком-
поновщика программ для автоматизированного создания аппаратно ори-
ентированного программного кода;
10) наличие программы-симулятора, имитирующего выполнение
команд ОЭВМ КР1816ВЕ51, на IBM-совместимом компьютере и облегчающем
поиск ошибок;
11) наличие IBM-совместимого программатора фирмы "Хронос"
(Россия) для прошивки программного кода во внутреннюю память прог-
рамм микросхемы КР1816ВЕ51;
К недостаткам ОЭВМ КР1816ВЕ51 можно отнести недостаточное ко-
личество портов ввода/вывода сигналов, всего 32. Беглый подсчет пот-
ребного количества сигналов показывает, что нам необходимы:
а) 21 выходной сигнал для подбора цифрового аналога токового
сигнала, чтобы обеспечить аналитическую точность в диапазоне веса
0...200 г;
б) 12 выходных сигналов для вывода значения полученного веса
на табло аналитических весов из семи семисегментных цифробуквенных
светодиодных индикаторов и светодиода десятичной точки;
в) 4 входных сигнала управления режимами работы аналитических
весов ("Тара","Однократное взвешивание", "Многократное взвешивание"
и "Температура")
г) 2 входных сигнала для датчиков подьема катушки весов и
температуры воздуха;
д) входной и выходной сигналы для двухстороннего сопряжения
аналитических весов с IBM-совместимым компьютером;
е) выходной сигнал индикации работы аналитических весов.
Таким образом нам недостает, как минимум, 10 сигналов для
успешной реализации схемы на выбранной ОЭВМ. Можно было бы пойти
по пути установки двух ОЭВМ в одном изделии с разделением функций
между ними, но этот подход дорогостоящ и расточителен, поэтому мы
решили использовать недорогую микросхему КР580ВВ55А (программирумый
параллельный адаптер (ППА) [3]) для расширения адресуемых портов
с 32 до 45.
ОЭВМ КР1816ВЕ51 будет передавать данные в 3 порта микросхемы
КР580ВВ55А через один из своих портов (рис. 1), для выбора номера
интересуемого порта и стробирования обращения к ППА необходимы еще
3 вывода. Если запрограммировать микросхему только на вывод, то нет
нужды в подключении к ОЭВМ выводов чтение (RD) и запись (WR) ППА,
так как их можно зафиксировать сигналами c блока питания через ре-
зисторы, нормирующие допустимый для микросхемы входной ток.
На выводы 3-х портов КР580ВВ55А (рис. 1), поскольку она бу-
дет запрограммированна только на вывод, лучше всего подключить уст-
ройство цифроаналогового преобразователя (ЦАП), то есть устройство,
преобразующее цифровой код в токовый аналог, например, код 1388h (де-
сятичное число 5000) в ток величиной 0,5 А.
Кроме того непосредственно к вводам ОЭВМ (рис. 1) должны быть
подключены: датчик подьема веса (ДП); датчик температуры (ДТ) для
более точного подбора токового аналога в диапазоне рабочих темпера-
тур весов; согласователь интерфейсов (СИ) последовательных портов
ОЭВМ и IBM-совместимого компьютера; коммутатор цепи цифроаналогового
преобразователя (КЦ) для предотвращения негативных последствий от
длительного воздействия сильных токов на низкоомную катушку устрой-
ства взвешивания (УВ); пульт индикации и управления (ПИУ). Более
подробно каждому из них будет посвящен отдельный параграф работы.
Структурная схема химических аналитических весов совмещена с
принципиальной электрической схемой подключения ОЭВМ КР1816ВЕ51 и
ППА КР580ВВ55А, на которой питание к микросхемам подается на вы-
воды VCC (5 Вольт) и GND ("земля") [3].
Тактовая частота работы ОЭВМ (D1) задается кварцевым резона-
тором ZQ1 (6 или 12 мГц). Цепочка R1, C3 предназначена для переда-
чи управления по адрусу 000 ОЭВМ КР1816ВЕ51 и инициализации микро-
схемы при включении питания. Так, сразу после включения питания
емкость C3 заряжается и этот заряд "стекает" с обкладки со знаком
"-" через резистор R1; номиналы резистора и емкости этой цепи по-
добраны таким образом, чтобы удержать потенциал больший 2,5 В в те-
чение не менее 5 микросекунд, что достаточно для инициализации
микросхемы D1. Аналогичным способом может быть выполнена автоини-
циализация микросхемы D2, но мы "жестко" зафиксировали вывод пере-
запуска (RST) на "землю", чтобы единственно возможным способом ее
работы стало выполнение команд ОЭВМ КР1816ВЕ51.
Емкость C4 играет роль фильтра высокочастотных помех по пи-
танию, а резистор R2 устанавливает на входе EA ОЭВМ "высокий" по-
тенциал, соответствующий избранности внутренней, а не внешней па-
мяти программ.
Все выводы порта P0 ОЭВМ через токоограничивающие резисторы
R4,R5,...,R11 (1.8 кОм) подключены к питанию + 5 Вольт из-за осо-
бенного исполнения этого порта ("с открытым коллектором"). Напри-
мер, если на выводе P0.0 транзистор микросхемы D1 закрыт, то на
выходе значение единичного сигнала поддерживается внешним питанием
+5В, а в открытом состоянии (коммутация на общий провод через тран-
зистор микросхемы D1) потенциал линии падает до нудевого значения.
Поскольку микросхема D2 предназначена для работы только на вывод
данных, то режим чтения (RD) "жестко" избран неактивным, посред-
ством подключения этого вывода, через токоограничивающий резистор
R12 (1.8 кОм) к питанию +5В, а режим избранности микросхемы (CS) -
активным, подключением его к общему проводу, так как это един-
ственная избираемая в устройстве весов микросхема. Адрес одного
из четырех портов микпосхемы D2 (3 - порт программирования режима
ее работы CW, 2 - порт С, 1 - порт В и 0 - порт А) избирается не-
посредственно с выводов P2.4 и P2.5 ОЭВМ. Исполнение команд про-
изводится при переходе сигнала записи (WR) с потенциала +5В к ну-
левому потенциалу с вывода P2.6 ОЭВМ КР1816ВЕ51.
Временная диаграмма вывода данных в один из избранных портов
микросхемы КР580ВВ55А в режиме 0 приведена на рис. 1а [3]. Микро-
схема КР580ВВ55А имеет три режима обмена: 0, 1 и 2, из которых нам
подходил только нулевой режим, при котором однонаправленный вывод
производится через любой из портов без каких либо сигналов сопро-
вождения (без квитирования) и выходная информация защелкивается в
выходной буфер порта по срезу сигнала WR и остается на выходе это-
го порта до следующего изменения.

__ t
WR +5В



__ +5В
CS


+5В
D


+5В
A0,A1


+5В
А,В,С,CW


Рис. 1а. Временная диаграмма вывода данных через порт
А, В, С или CW микросхемы КР580ВВ55А

На этой диаграмме черточкой сверху обозначены сигналы, актив-
ные при нулевом потенциале, Н - образный переход сигналов означает,
что если сигналы изменяются, то они должны быть изменены сдесь. Вре-
мя t мы подобрали экспериментально, и оно должно быть не менее 2-х
микросекунд, точное время между остальными сигналами не имеет ника-
кого значения - важна лишь их точная последовательность.

БЛОК ПИТАНИЯ

В настоящей работе мы стремились к максимальному использованию
известных и хорошо зарекомендовавших себя разработок, доступных нам
через открытые литературные источники. Так например, электрическая
принципиальная схема излучателя инфрокрасного диапазона заимствована
нами из принтера СМП 6327 [5], а приемника - из схемы бытового теле-
визионного приемника [6], включая также и простое заимствование бло-
ка питания из списанного накопителя на пятидюймовых гибких магнитных
дисках ЕС5321М советского производства [7], достаточно мощного и на-
дежного, принципиальная электрическая схема которого представлена на
рис. 2.
В этой схеме переменное напряжение 220 В через выключатель и
предохранитель FU1 (1 А) поступает на первичную обмотку трансформа-
тора ТПП288-220-50. Из нескольких вторичных обмоток этого трансфор-
матора набираются выходные напряжения переменного тока в 19 и 7
Вольт, которые подаются на два диодных моста, собранных из кремни-
евых диодов КД205В. На выходе с диодных мостов мы имеем выпрямленные
постоянные напряжения со значительными пульсациями, для подавления
которых в цепь параллельно мостам диодов включены электролитические
емкости: С1 (10000 мкФ 50 В) и С2 (2000 мкФ 50 В). В момент времени
когда с выхода диодного моста напряжение возрастает емкости заряжа-
ются, а когда напряжение начинает снижаться стекание заряда с обкла-
док электролитического конденсатора сглаживает проявление этих пуль-
саций на входе стабилизаторов, собранных на резисторах R1, R2 (1 Ом),
емкостях С3...С6 (0,1 мкФ), транзисторах VT1, VT2 (КТ818БМ), микро-
схемах D1 (КР142ЕН8Б), D2 (КР142ЕН5А и емкостях С7, С8 (200 маФ).
Принцип работы стабилизатора следующий: микросхема D1 (D2)
управляет током, протекающим через малоомный резистор R1 (R2), тем
самым изменяя смещение перехода база-эмитер транзистора VT1 (VT2)
и поддерживая на его выходе стабильное значение требуемого для наг-
рузки выходного напряжения питания 12 (5) Вольт. Наличие мощных
транзисторов VT1 и VT2 вызвано требованиями обеспечения больших то-
ков, необходимых в накопителе на гибких магнитных дисках [7] при
запуске его двигателей. Такой блок питания наиболее оптимально под-
ходит и для аналитических весов, в которых также наблюдается крат-
ковременные всплески потребления больших токов протекающих через
катушку устройства взвешивания и цепи цифроаналогового преобразова-
теля.
Емкости С7, С8 включены для сглаживания импульсных пульсаций
нагрузок на стабилизатор, а С5, С6 в качестве фильтра высокочастот-
ных помех.
Предохранитель FU1 защищает сеть переменного тока от перегру-
зок, скажем при коротком замыкании на вторичных обмотках трансформа-
тора, а FU2 и FU3 - блок питания, при перегрузках в питаемых через
них схемах.

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Наиболее оптимальным было бы использование в качестве цифро-
аналогового преобразователя спецализированной микросхемы, что су-
щественно упростило бы электрическую принципиальную схему аналити-
ческих весов и избавило нас от проблемы решения множества проблем,
связанных с этим преобразованием. Например, микросхемы К572ПА1,
К594ПА1 [2] советского производства или импортного производства:
DAC-01 и DAC-02 (фирма Precision Monolitic), MC1406 (Motorola),
HI-1080 и HI-1090 (Harris Semiconductor), AD-562 и AD-7520 (Analog
Devices) [8], или более современные MX7534, MX7535, MX7536, MX7538
(Maxim) [9]. Однако лучшие из этих чипов гарантируют разрешение с
точностью не более 14 разрядов, что явно недостаточно для обеспе-
чения аналитической точности взвешивания в диапазоне 0...200 грамм.
Для обеспечения указанных требований мы должны разработать
принципиальную электричестую схему 21-го разрядного цифроаналого-
вого преобразователя.
Существует два наиболее широко распространенных метода циф-
роаналогового преобразования: с использованием взвешенных резист-
ров и многозвенной цепочки резистров [8].
На рис. 3 представлена принципиальная электрическая схема
цифроаналогового преобразователя с двоично-взвешенными резистора-
ми, которая состоит из n ключей, по одному на каждый разряд, уп-
равляемых выходным сигналом; цепочки двоично-взвешенных резисто-
ров; источника опорного напряжения Uоп и суммирующего операцион-
ного усилителя, на выходе которого получается аналоговый сигнал,
пропорциональный цифровому коду на входе.
В идеальной ситуации ток, на входе операционного усилите-
ля будет равен

An-1хUоп An-2хUоп A1хUоп A0хUоп
I = __________ + __________ + . . . + ________ + ________ .
R R R R

В нашем случае, для 21-разрядного цифроаналогового преоб-
разователя, диапазон изменения сопротивлений резисторов должен
будет соответствовать ряду: 1,2,4,8,...,524288,1048576 Ом. У нас
не было возможности точного подбора такого широкого ряда резис-
торов тем более, что они должны быть все изготовленны по одной
технологии, в связи с чем этот метод построения цифроаналогово
преобразователя - неприемлем.
На рис. 4 представлена принципиальная электрическая схема
цифроаналогового преобразователя с многозвенной цепочкой резис-
торов. В этой схеме использование цепочки резисторов R-2R, при-
водит к тому, что вклад каждого разряда в выходной сигнал про-
порционален его двоичному весу.
Поскольку эта цепочка резисторов является линейной цепью,
то ее работу можно проанализировать методом суперпозиции, то есть
вклад в выходное напряжение от каждого источника рассматривать
независимо от других источников. Окончательно все вклады от каж-
дого разряда суммируются для получения на выходе результата в
виде напряжения Uвых [8].
Таким образом, выходное напряжение цифроаналогового преоб-
разователя пропорционально сумме напряжений со своими весами,
обусловленных лишь теми ключами, которые подключены к источнику
Uоп.
Для нашего 21-разрядного цифроаналогового преобразователя
простое механическое копирование этой схемы невозможно, так как
самые лучшие чипы операционных усилителей LM101A, LF156A или
LM118 не способны обеспечить требуемого разрешения - их предел
14-ть разрядов и 8...12 разрядов - для микросхем операционных
усилителей советского производства (К153УД2, К140УД18 и других).
Можно было бы разработать двухплечевую схему с использованием
на выходе одного из плеч делителя напряжения, но такой подход
приведет к множеству проблем, связанных с обеспечением идентич-
ности плеч и тому подобных. Поэтому мы решили удалить из схемы
приведенной на рис. 4 операционный усилитель, заменив предшест-
вующий ему резистор 2R, многозвенной цепи, катушкой устройства
взвешивания.
Тогда для обеспечения изменения тока на выходе цифроана-
логового преобразования достаточно больших номиналов тока, до
3,5 А, мы должны подобрать пары 2R/R с таким расчетом, чтобы ве-
личина R составляла значение немного большее 1 Ома, при этом ре-
зисторы 2R должны иметь коэффициент деления как можно ближе к
двум, особенно в старших значащих разрядах. Кроме этого, резис-
торы должны быть мощными МЛТ-1 или МЛТ-2, чтобы избежать их вы-
горания при прохождении больших токов.
Подбор номиналов резисторов мы производили с использовани-
ем цифрового измерителя L, C, R Е7-8 из нескольких тысяч резис-
торов, номинала 1,4 и 2,7 Ом, во всех организациях города, в
которых нам удалось их найти: АО ССГПО (6 подразделений), Руд-
ненский индустриальный институт, Рудненский политехнический кол-
ледж и других. Тип и номиналы этих резисторов определяли их ред-
кое использование и поэтому по причине их отсутствия или дефицит-
ности нам не отказали ни в одной из упомянутых организаций.
После продолжительной и утомительной работы нам удалось по-
добрать многозвенную 21-разрядную цепочку сопротивлений, значения
сопротивлений которых сведены в табл. 1.

Добавлен: 08.01.2012, 21:52 [ Скачать с сервера (226.0Kb) ]
Категория: Химия | Добавил: Lakomka
Просмотров: 1258 | Загрузок: 140
Рейтинг: 0.0/0

форма входа

Логин:
Пароль:

объявления

«Смерть на брудершафт» – название цикла из 10 повестей в экспериментальном жанре «роман-кино».

В повести «Операция „Транзит“» (девятой «фильме») рассказывается об отправке из Швейцарии в знаменитом запломбированном вагоне личности, призванной изменить ход русской истории.
История заболевания вен нижних конечностей стара, как само человечество, «трофические язвы превратились в бич человечества с тех пор, как оно приняло вертикальное положение». Хронической венозной недостаточностью нижних конечностей страдают 25—30 % женщин и 10—20 % мужчин. В 40—90 % случаев венозная недостаточность осложняется трофическими я...
Это – сказка, рассказанная зимней ночью. Веселое и грустное повествование о вражде и дружбе, магии и смекалке, благородстве и предательстве, любви и ненависти, между которыми один шаг по глубокому снегу. Это – кусочек белорской истории, не попавший в летопись, но воспетый в легендах. А что в ней ложь и что правда – пусть останется на совести автора...
McKinsey. Это имя – знак качества в сфере консалтинга: всем известно, как сотрудники Фирмы блестяще решают чужие бизнес-проблемы. А можете ли вы сами справиться с трудностями в своей организации, применяя их секреты? Или нужно обязательно приглашать команду из McKinsey?

объявления

Атомная энергетика и атомное оружие

[Военное дело] - скачать

НАТО – военно-политическое объединение

[Военное дело] - скачать

Взаимодействие электронов с поверхностными акустическимим волнами.

[Физика] - скачать

СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ РОССИИ В XVII В

[История] - скачать

Расчет и конструирование фундаментов

[Геодезия, геология] - скачать