Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс

Революционная идея состоит в том, что именно сама пластина, определенная часть которой сделана очень тонкой при помощи микрообработки, играет роль мембраны, деформирующейся под воздействием давления.

Первые датчики, изготовленные по такой технологии, давали не слишком хорошие показатели. У них присутствовал ощутимый температурный дрейф, а также заметный сдвиг нуля (наличие выходного напряжения при нулевом давлении), который сильно менялся от образца к образцу. Электронные корректирующие устройства, к счастью, могли существенно сгладить эти недостатки, а на сегодняшний день положение значительно улучшилось.

Выполнение на одной пластине, помимо струнных датчиков натяжения, терморезисторов и резисторов с лазерной подгонкой позволяет производителям создавать и выпускать уже калиброванные и термокомпенсированные датчики. Использовать их очень просто — достаточно подать постоянное напряжение на одну диагональ моста, состоящего из струнных датчиков натяжения, и снимать с другой диагонали этого моста напряжение, пропорциональное приложенному давлению. Так, датчики компании Motorola из серии МРХ 2000 обычно формируют нулевое напряжение в диагонали при нулевом давлении и 40 мВ (реально — в пределах от 37,42 до 42,58 мВ) при давлении, соответствующем их полной шкале.

Для устройств, рассматриваемых в этой книге, с целью охвата наиболее широкой сферы применения был выбран датчик МРХ 2200, работающий в диапазоне изменения давления до 2 бар (до 200 кПа).

Датчик выпускается в двух вариантах — МРХ 2200 АР, называемый абсолютным, и МРХ 2200 DP, называемый дифференциальным. Очень важно понять принципиальную разницу между ними и выбрать именно тот вариант, который соответствует условиям измерения.

Деформируемая мембрана датчика может «чувствовать» только разницу давления между двумя своими поверхностями, притом по-разному в разных направлениях. Вследствие особенностей конструкции у нее есть сторона «высокого давления» и сторона «низкого давления». Поэтому корпус датчика состоит из двух полостей, между которыми и расположена мембрана.

Если каждая из полостей снабжена штуцером для присоединения трубок, датчик определяет разницу между двумя приложенными давлениями, т. е. является дифференциальным. Одно из этих давлений может быть атмосферным — для этого одна из полостей остается открытой (к штуцеру ничего не присоединяется).

В датчиках, называемых абсолютными (или, более правильно, абсолютного давления) одна из полостей полностью герметизирована и «накачана» до определенного давления (хотя внутри нее может быть и глубокий вакуум). Таким образом, давление, прикладываемое к единственному входу датчика, будет измерено относительно этого опорного давления. Датчики такого типа используются, в частности, в барометрах и высотомерах, которые сравнивают внешнее атмосферное давление с опорным. Естественно, такому датчику для нормальной работы не нужна сложная электроника.

Схема устройства согласования, приведенная на рис. 6.12, взята непосредственно из руководства по применению, разработанного компанией Motorola, и является не самой лучшей из существующих, но ее точности в избытке хватает для работы с 8-разрядным АЦП.

Рис. 6.12. Схема устройства согласования для датчика давления

К этой схеме был добавлен интегральный стабилизатор 7805, формирующий напряжение питания 5 В для датчика и для микросхемы сдвоенного операционного усилителя LM 358. Каскады микросхемы решают две задачи: во-первых, воспринимают дифференциальный сигнал с выхода датчика, во-вторых, усиливают его.

При напряжении источника питания 5 В напряжение на выходе второго операционного усилителя не может составлять больше 4 В. Именно эта величина и является напряжением полной шкалы устройства (4 В при давлении 2 бара).

Многооборотный потенциометр R6 с номиналом 20 кОм служит для точной установки этой величины или какой-либо другой точки шкалы, для которой имеется возможность проверить давление с помощью эталонного манометра. Присутствующий в оригинальной схеме, но не обязательный подстроечный резистор для коррекции смещения нуля не был использован ввиду малой величины этого смещения и ограничений точности преобразования 8-разрядных АЦП.

Топологическая схема печатной платы разработанного устройства приведена на рис. 6.13, монтажная схема — на рис. 6.14.

Рис. 6.13. Топологическая схема печатной плоты датчика давления

Рис. 6.14. Монтажная схема датчика давления

Датчик модели МРХ 2200 (но не МРХ 2010, который, согласно руководству компании Motorola, рассчитан на давление до 100 миллибар) крепится к плате двумя винтами-саморезами со средним усилием затяжки и фиксацией винтов лаком или краской.

После закрепления датчика его ленточные выводы припаиваются к предусмотренным для них контактным площадкам. Перед этим выводы датчика должны быть аккуратно отформованы при помощи пинцета или пассатижей с круглыми губками. Внешний вид смонтированной печатной платы показан на рис. 6.15.

Рис 6.15. Внешний вид платы датчика давления

До тех пор, пока на датчик не подано внешнее давление, подключенный к устройству виртуальный вольтметр должен показывать нулевое напряжение, если используется датчик дифференциального типа, или напряжение, соответствующее атмосферному давлению, если использован датчик абсолютного типа.

Широчайшие возможности калибровки и приведения шкал таких программ как PICOSCOPE или PICOLOG позволяют выводить информацию непосредственно в тех величинах, которые интересуют пользователя; в частности, давление выводится в любых соответствующих единицах (например, единицах высоты), равно как и любой другой параметр, который для удобства измерения может быть соотнесен с давлением.

Применяя виртуальный вольтметр программы PICOSCOPE с отсутствующими (что важно) знаками после запятой, достаточно, например, указать нулевую величину для минимального и 2500 гПа (или миллибар) для максимального значений, чтобы при помощи датчика МРХ 2200 АР получить прямую индикацию атмосферного давления в стандартных единицах. Кроме того, достаточно установить максимальную величину равной 1875, чтобы получить индикацию атмосферного давления в миллиметрах ртутного столба (MMHg — мм рт. ст.), единицах внесистемных, но широко распространенных и понятных.

Хотя стандартной единицей давления является паскаль (Па), можно констатировать, что кроме него используется очень много других единиц — от английских фунтов на квадратный дюйм (PSI) до бар или кг/см², в которых тарированы, например, автомобильные манометры.

Точные соотношения различных единиц давления приведены в табл. 6.1. Эту информацию можно использовать при калибровке той или иной программы с целью индикации результатов измерений в каких-либо единицах из ряда перечисленных.

Таблица 6.1. Соотношение основных единиц измерения давления

В таблице использованы следующие обозначения: