Szabályozó és adatgyűjtő rendszer

Irodalmi utalások [Charreyere et al., (1984), Weir, (1974)] alapján, a hasonló mérések elvégzésére minden esetben automatikus mérőrendszereket alkalmaznak.

A mérés során gyűjtött információkat egy mérés-adatgyűjtőbe továbbítják, ahol meghatározott algoritmusok alapján, kellő sebességgel kiértékelik azokat, az eredmények pedig számjegyek, vagy diagrammok formájában a felhasználó rendelkezésére állnak. Az irodalomban leggyakrabban Hewlett-Packard gyártmányú programozható jel analizátorokat alkalmaznak hasonló mérési és kiértékelési feladatok elvégzésére. Ezeknek az analizátoroknak a beszerzési költsége több millió-, esetleg tízmillió forint, nem beszélve a hozzájuk tartozó egyéb mérőszondák, megjelenítők, kiegészítők árára. Egy ilyen eszköz beszerzése jelentősen megnövelte volna a dielektromos állandó mérő készülék árát, ami már így is több mint 6 millió forintba került. Ezt a többletköltséget már nem tudtuk volna finanszírozni. Így olyan megoldást kellett keresni, amely az előbbinél jóval költséghatékonyabban, de a szakirodalomban látott készülékek paramétereit megközelítően alkalmas a kívánt mérési feladatok elvégzésére. Nem a mérés pontosságának vagy megbízhatóságának csökkentése árán a feladat leegyszerűsítése volt a cél, hanem a nemzetközi irodalmakban alkalmazott készülékekhez hasonló paraméterű, de alacsonyabb költségű berendezés előállítása.

A kitűzött cél elérése érdekében olyan olcsó és könnyen elérhető eszközt akartam használni, amely mindezek ellenére alkalmas professzionális feladatok megvalósítására is és számos referenciával rendelkezik mind az ipar, mind a kutatás-fejlesztés területén. Így esett a választás az Intel cég I8051 mikrovezérlő család tagjaira, melyek előzetes ismereteim alapján megtalálhatóak mind ipari folyamatirányító berendezésekben pl. számos PLC-ben (Programable Logical Controler), sorozatban gyártott készülékek vezérlőegységeiben és egyedi fejlesztésű laboratóriumi berendezésekben egyaránt.

A mikroprocesszoros adatgyűjtő és vezérlő egység feladata a detektordiódák jeleinek fogadása, szűrése a későbbi feldolgozás céljából. A 7.7 ábrán látható jelalak korrekt feldolgozása céljából két szűrési módszert is alkalmazni kellett. Az első a 7.8 ábrán is látható diszkrét aktív szűrő, a második fokozat pedig egy szoftveres IIR (Infinal Impulse Respons) szűrő, mely tovább simítja a jelalakot. A

négy csatorna jelét egy 12 bites A/D átalakító egység dolgozza fel, majd az így kapott adatok kerülnek a mikroprocesszor memória egységébe feldolgozásra. A mért értékek kijelzés és grafikus megjelenítés céljából soros vonalon tovább küldésre kerülnek a PC számítógép felé is. A processzoros egység egy speciális algoritmus segítségével a mért értékek alapján állítja a tápvonalat lezáró rövidzár pozícióját úgy, hogy a mérendő mintán mindig maximális legyen a térerősség. A rövidzár mozgatását egy léptetőmotoros egység végzi, melyre kiadott impulzusok számából és az irányjelből számítódik az aktuális pozíció. Ezt a pozíciójelet, illetve eltérésének mértékét az alapállapottól használjuk fel a dielektromos értékek számításához.

A mikroprocesszoros egység méri továbbá a minta belépő és kilépő hőmérsékletét, melyből átlagot képez. A mért adatok szintén a PC számítógépbe továbbítódnak és letárolásra kerülnek a számított dielektromos értékekkel együtt.

A mikroprocesszoros egység vezérlő programja a hatékonyság és a megfelelő sebesség érdekében assembly programozási nyelven készült.

U1 X1 U2 U3

U4

X0

A/D uP

T1 T2

7.13 ábra. A dielektrométer és a számítógépes irányítórendszer blokkvázlata.

A detektorjelek feldolgozásának első lépése az analóg-digitális (A/D) átalakítás. A választott processzor típus nem rendelkezik beépített A/D átalakítóval, ezért külső eszközt kellett csatlakoztatni hozzá. Ennek látszólagos hátránya mellett, azaz előnye, hogy nem kötött a típus, és viszonylag egyszerűen cserélhető az átalakító fajtája. Ez lehetőséget nyújt többféle típus kipróbálására, úgy mint átalakítási sebesség, működési mód, felbontás. A választott típus 12 bit felbontású, rövid konverziós idejű, SAR rendszerű. 11 csatorna mérését teszi lehetővé az átalakító, de itt csak négy csatorna mérése szükséges. A csatornaváltást automatikusan végzi a program, minden mérési ciklus után megnöveli a csatornaszámot, majd a negyedik csatorna mérése után elölről kezdi a mérési sort. A mintavételezett és átalakított jelek a memóriában kerülnek tárolásra későbbi feldolgozás céljából. Az analóg szűrőáramkörről érkező jelet további simítás céljából a mikroprocesszor programja digitálisan is szűri. A simításhoz aluláteresztő szűrőre van szükség. A digitális IIR (Infinal Impulse Respons) szűrő algoritmus tárolja a szűrt jel értékeket, majd meghatározott szűrési együtthatók alapján a szűrt és az újonnan

kapott minta értékeit összegzi. A szűrési együtthatók (szűrő koefficiensek) beállításával lehetőség van a szűrés fokának beállítására és erősítésállításra is. A több fokozatú szűrésre a detektorokról kapott impulzusszerű jelalak (7.7 ábra) miatt van szükség.

A rövidzár pozíciójának beállítása a detektorok jelei alapján történik. Négy detektor jelét használom fel a méréshez, az első pár detektor méri az állóhullám amplitúdóját, a másik pár detektor a rövidzár tolattyú irányítására szolgál (magyarázat a későbbiekben). A mérési módszer lényege a minta ekvivalens impedancia fázis változásának kompenzációja. E kompenzáció megvalósítása érdekében a rövidzárat el kell mozdítani a minta mögött. A rövidzár mozgásának irányát és sebességét legegyszerűbben a következő összefüggés alapján határozhatjuk meg:

ahol U1, U2, U3, U4 a velük azonos indexű detektorokon mérhető feszültségjel.

φ előjele meghatározza a mozgatás irányát, nagysága, pedig a sebességet. Minél közelebb vagyunk kívánt pozícióhoz, φ annál kisebb, és a rövidzárat is annál kisebb sebességgel kell mozgatni a túlfutás elkerülése miatt.

A rövidzár mozgatására számos módszer kínálkozik, ám célszerű a legpraktikusabbat választani, hiszen fontos szempont a könnyű kezelhetőség és pozíciójának minél pontosabb mérése. Lehetőség van líneáris motorral mozgatni a dugattyút, ami nagy sebességű beállást tesz lehetővé, viszont pozíciójának pontos mérése bonyolult. Szintén irodalmi hivatkozások [Charreyere et al., (1984), Lebot (1954), Weir, (1974, Afsar (1986)] mutatnak rá, hogy legcélszerűbb módszer a rövidzár tolattyú szabályozására a motorral mozgatott mikrométer-csavarorsó, mely nagyon finom beállítást tesz lehetővé. A dugattyú pozíciójának mérése ebben az esetben is bonyolult feladat. Figyelembe véve viszont, hogy nem a dugattyú abszolút pozícióját akarjuk mérni, hanem X1-X0 pozíció változását, a rövidzár-dugattyú helyzetének meghatározására egyszerű módszer kínálkozik.

Amennyiben a csavarorsó mozgatását léptetőmotorral oldom meg, a motor léptetésére használt impulzusok számából az elmozdulás mértéke pontosan számítható. A feladat elvégzésére egy SANYO gyártmányú 5W teljesítményű 4 tekercses motor szolgál. A motor tekercseinek működtető jeleit egy PLD (Programable Logical Devices) áramkörbe programoztam, így a logikai függvények előállítása nem a mikrovezérlő feladata. Csak irányvezérlő jelek és léptető impulzusok szükségesek a motor működtetéséhez. A léptető jeleket a processzor számolja, amiből a rövidzár elmozdulása egyszerű összefüggéssel megadható.

Szükség van ezen kívül az automatikus beállításon kívül egy kézi üzemmódra is, amivel a teljes pályán kézi üzemmódban mozgatható a rövidzár pozíciója. A mozgatás irányítására vezérlő karakterek szolgálnak, melyeket a program soros porton keresztül kaphat. Abban az estben, ha a processzoros rendszer éppen nem mozdítja a motort, a léptető motor tartó állapota kikapcsol (feszültségmentes

tekercsek) és ekkor kézi erővel is forgatható a motor és állítható a pozíció. Ez a funkció jól használható a kísérleti stádiumban.

Mivel a dielektromos állandó mérése során a hőmérsékletet is mérni akarjuk, erre a célra két darab hőmérsékletmérő egységet illesztettem a rendszerhez. A hőmérők monolitikus integrált kivitelben kaphatók, intelligens buszrendszerrel rendelkeznek, a Dallas cég által kifejlesztett 1-Wire Bus® rendszerrel kapcsolhatók mikroprocesszoros rendszerekhez. A hőmérők -55°C - +125°C-ig alkalmasak mérésre és 0°C - +85°C-ig 0,1°C pontosságúak. Ekkora pontosság a feladat elvégzéséhez nem szükséges, de ez nem extrém kritérium egy félvezető alapú hőmérő számára. Ez a fajta hőmérő sajnos nem használható mikrohullámú térben ezért a 7.13 ábrán látható módon a belépő és a kilépő folyadékminta hőmérsékletét méri.

A mikroprocesszoros renszer és a PC számítógépen futó adatgyűjtő és megjelenítő program folyamatábráit a (7.14) és (7.15) ábrák mutatják.

A kitűzött célnak megfelelően sikerült egy olyan eljárást kidolgozni, amely alkalmas a permitivitás és dielektromos veszteség meghatározására egy adott hőmérsékleten és a dielektromos tulajdonságok mérésére is folyamatosan változó hőmérséklet mellett. Ez a mérési módszer az irodalomban gyakran fellelhető frekvencia függvényében történő vizsgálatokhoz képest nagyobb gyakorlati jelentőséggel bír. Újdonsága még a mérési eljárásnak, hogy a mintaanyagot a méréshez használt mikrohullámú energia melegíti, amely eljárás pontosan megegyezik a gyakorlati mikrohullámú kezeléseknél alkalmazott eljárással.

START

Detektor sorszám = 4?

Ch = Ch + 1 Detektor jel mérése

Adat tárolása

Autómata / Kézi működtetés Digitális szűrés

Irányvezérő karakter?

Motor működtetés Hőmérséklet mérés

Kalibráció

X pozíció érték nullázása

Kimeneti adatformátum előállítása Adatok küldése soros vonalon

φ számítása Rövidzár irány Rövidzár sebesség

Mérési adatok mentése

Kalibráció vége?

Csúcsérték szám ítása

Csúcsérték megjelenítése x = 0 beállítása

Ch = 1

Autó

i

i

i

Kézi n

i

n n

n

7.14 ábra. A mikroprocesszoros mérő és szabályozó egység programjának folyamatábrája

START

Soros vonali adatok fogadása

Detektor adatok megjelenítése ε' számítása

Lenyomott billentyű parancs

r-r számítása₀

Mérési adatok file-ba mentése Filenév megadása

"Space"

"S"

i

i n

i n

n ε'' számítása

Hőmérséklet értékek számítása

Parancs küldése soros vonalon

Kilépés i n

STOP

7.15 ábra. A számítógépes adatrögzítő és megjelenítő program folyamatábrája