ZESZY TY N A U K O W E PO L IT E C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: E LE K TR Y K A z. 134
1994 N r kol. 1225
Zbigniew PO K R Y W K A Jerzy R O J
STA N OW ISK O D O B A D A N IA STA N Ó W N IE U S T A L O N Y C H C ZU JN IK Ó W PELISTO R O W Y C H
Streszczenie. W artykule opisano konstrukcję oraz sposób posługiw ania się stanowiskiem do badania w łasności czujników pelistorow ych w stanach dynamicznych, głów nie w stanie nieustalonym po załączeniu napięcia zasilania m ostka pelistorow ego.
THE STA N D FO R E X A M IN IN G PE L L IS T O R SEN SO R S T R A N SIE N T STA TES
Summ ary. In the paper th e construction and usage procedure o f th e stand for examining properties o f pellistor sensors in the transient state after sw iching on the supply voltage o f pellistor bridge have been described.
CTEHA AAfl HCnblTAHUfl nEPEXOAHbIX nPOLJECCOB nEAHCTOPHblX AATMUKOB
PfiSHOMR. B CTaTbe onucaHa KOHCTpyKunn a Taxate cnocoö ncnoAb30BaHHH crreHAa a a b ncnbiTaHna neAMCTOpHbix a s t m u k o b b AnnaMimecKMx COCTOHHMHX, r AaBHbiM o6pa30M B nepexoAHOM n p o u e cce nocAe bk ak d m g h u h Hanpn>KeHHH iw aH M H neAncropHoro MOCTa.
1. W STĘP
Jednym z podstaw ow ych u kładów służących do pom iaru stężeń mieszanek palnych jest m ostek pelistorow y ( [3] ry s.l ), w ykorzystujący zm iany rezystancji na skutek w ydzielania się ciepła zw iązanego ze spalaniem katalitycznym.
Jest to typow y m ostek rezystancyjny, w którego dw óch gałęziach zostały um ieszczone pelistory: aktyw ny P A i pasyw ny (kom pensacyjny) P P. Pelistor jest cienką spiralką z drutu platynow ego zatopionego w ogniotrw ałej perełce z tlenku aluminium [1], [2],
W przypadku pelistora aktyw nego na perełce naniesiona jest dodatkow o w arstwa katalizatora.
M ostek pelistorow y jak o całość realizuje funkcję term om etru rezystancyjnego. Jego sygnał wyjściowy zależy od różnicy tem peratur obu pelistorów. P onadto pelistor aktywny PA stanowi grzejnik podw yższający tem peraturę katalizatora do tem peratury zapłonu. N apięcie wyjściowe m ostka ustala się po czasie kilku do kilkunastu sekund, a jeg o w artość w stanie ustalonym jest praktycznie proporcjonalna do m ierzonego stężenia (w zakresie stężeń do około 10 % w przypadku metanu).
C hcąc skrócić czas uzyskania wyniku pom iarow ego m ożna podjąć działania zmierzające do w yznaczenia stężenia jeszcze w czasie trw ania stanu nieustalonego. W tym celu niezbędne jest określenie w szystkich czynników m ających w pływ na w łasności m ostka w stanie nieustalonym oraz zbudow anie je g o m odelu w tym stanie. N astępnie na tej podstaw ie należy w yznaczyć procedurę odtw arzania m ierzonego stężenia uw zględniając wielkości mające istotny w pływ na w łasności m ostka w stanie nieustalonym.
W celu um ożliw ienia badania m ostków pelistorow ych w stanach dynamicznych zbudow ano stanow isko pom iarow e. U zyskane wyniki są rejestrow ane na dyskietkach, a następnie przenoszone na m ikrokom puter IB M PC, gdzie podlegają przetw arzaniu w celu uzyskania danych niezbędnych do tw orzenia m odelu mostka. M odel m ostka pelistorow ego w raz z program em symulacyjnej analizy tego m ostka opisano w artykule [3],
2. O PIS STA N O W ISK A
Stanow isko zbudow ano na bazie m ikrokom putera C O M PA N P, w yposażonego w 12- bitowy, 8-w ejściow y przetw ornik A/C o maksymalnej częstotliw ości próbkow ania około 5o kHz, układ czasow y Z 80 CTC oraz m oduł wyjść cyfrowych. Stanow isko w yposażone jest w głow icę pom iarow ą, której schem at przedstaw iono na rysunku 1.
W skład głow icy pom iarow ej w chodzi kom ora, w której um ieszcza się badane pelistory (i doprow adza m etan o w zorcow ym stężeniu) oraz następujące układy:
Stanowisko do badania stanów 65
- m ostek pelistorow y (rezystory R 1 1, R 12, potencjom etr P3 oraz jed n a z 5 par badanych pelistorów ),
- źródło napięcia odniesienia (elem ent scalony U l , rezystory R1 R7, potencjom etry P I, P2, kondensatory C l , C2),
- stabilizator napięcia zasilania (elem ent scalony U 3, tranzystor T l) ,
- stabilizator prądu zasilania (elem ent scalony U 2, tranzystor T l, rezystor Rd).
D w ie gałęzie m ostka pelistorow ego stanow ią czujniki pelistorow e (aktyw ny P A oraz pasywny P P. Pelistor pasyw ny Pp został dodatkow o zbocznikow any rezystorem Rt
umożliwiającym w pew nym stopniu kształtow anie dynamiki układu. Przew idziano dwa sposoby zasilania m ostka: zasilanie napięciow e bądź prądow e (przełącznik SW1).
Potencjom etr P3 zapew nia regulację napięcia niezrów now ażenia m ostka, natom iast dzielnik rezystancyjny R13, R 14 um ożliw ia pom iar napięcia zasilania m ostka (kanał 6 przetw ornika A/C). R ezystor RIO pozw ala na pom iar prądu płynącego przez pelistory w przypadku zasilania napięciow ego (kanał 7 przetw ornika A /C). D ołączanie kolejnych par badanych pelistorów do m ostka zrealizow ano za p o m o cą m odułu wyjść cyfrowych, który steruje pracą przełączników kontaktronow ych. D o pom iaru napięcia w yjściow ego m ostka w ykorzystano pierwszych 5 kanałów przetw ornika A/C.
Jako źródło napięcia odniesienia w ykorzystano m onolityczny stabilizator uA 723. W realizow anym układzie w artość napięcia odniesienia wynosi 4,05 V. W ym aganą w artość napięcia odniesienia dla stabilizatorów napięcia oraz prądu zasilania uzyskano w ykorzystując dwa regulow ane dzielniki napięć (rezystory R 7, R8, potencjom etr P2 oraz rezystory R5, R6, potencjom etr P I).
U kład stabilizacji napięcia zasilania m ostka zrealizow ano w oparciu o tranzystor T l sterow any napięciem wyjściowym w zm acniacza różnicow ego U3 porów nującego napięcie proporcjonalne do napięcia zasilania m ostka z napięciem odniesienia. W takim przypadku napięcie zasilania m ostka ustala się poprzez regulację napięcia odniesienia za pom ocą potencjom etru P2 w dzielniku R 7, P2, R8.
U kład stabilizacji prądu zasilania różni się od opisanego wyżej stabilizatora napięcia jedynie zastosow aniem rezystora R d pracującego w układzie ujem nego sprzężenia zw rotnego stabilizacji prądu. N a skutek przepływ u prądu zasilania na rezystorze R i pow staje napięcie U d , które jest porów nyw ane z napięciem odniesienia uzyskiwanym z dzsielnika R5, P I , R6.
Rys. 1.Schemat głowicy pomiarowej stanowiska Fig.1.Scheme ofthe stand measuring head
Stanowisko do badania stanów 67
3. R EA L IZ A C JA B A D A Ń
P rocedurę pom iaru i rejestracji w yników na dyskietce realizuje program "PELM 1.COM ".
Po wczytaniu program w ym aga od operatora w prow adzenia następujących informalcji związanych z przeprow adzanym i pomiaram i: aktualnej daty, stężenia mieszanki w zorcow ej, sposobu zasilania m ostka (napięciow y lub prądow y), num eru pow tórzenia pom iarów dla danego zestaw u pelistorów oraz num erów w szystkich pelistorów w chodzących w skład zestawu. W dalszej części program um ożliw ia pom iar napięcia zasilania oraz niezrów now ażenia m ostka dla badanej pary pelistorów. K orekcję tych napięć do żądanych wartości przeprow adza się za p o m o cą regulacji odpow iednim i potencjom etram i. K olejną funkcją program u jest realizacja pom iarów właściwych, polegająca na w łączeniu napięcia lub prądu zasilania m ostka i próbkow aniu co 10 ms napięcia w yjściow ego oraz odpow iednio prądu lub napięcia zasilania. U zyskane przebiegi czasow e, z których każdy reprezentow any jest przez 500 w yników pom iarow ych, zostają następnie w yśw ietlone na ekranie i na żądanie operatora mogą być zarejestrow ane na dysku w postaci pliku o nazw ie budow anej w spoób pokazany na rysunku 2.
Dl, D2 - d z i e ń Ml, M2 - m i e s i ę c
LI - s e r i a p o m i a r ó w dla p o w t ó r z e ń (A,...,Z) Al, A2 - n u m e r p e l i s t o r a a k t y w n e g o
SI, S2 - s t ę ż e n i e m i e s z a n k i w z orcowej PI, P2 - n u m e r p e l i s t o r a p a s y w n e g o
Rys. 2. Z naczenie symboli w nazw ie pliku dyskow ego systemu C P/P z danymi pomiarow ym i odpow iedzi m ostka pelistorow ego
Fig. 2. Symbol m eanings in th e C P/M system disk file nam e w ith the results o f a m easurem ent o f the pellistor bridge response
Plik danych składa się ze 128-bajtow ego nagłów ka zaw ierającego inform acje dotyczące pom iarów (znaki w kodzie A SC II) oraz obszaru danych pom iarow ych zajm ującego 2000 bajtów. O gólną strukturę pliku przedstaw ia rysunek 3, natom iast znaczenie poszczególnych bajtów nagłów ka zestaw iono w tablicy 1.
N a g ł ó w e k (128 bajtów) Dane p o m i a r o w e (2000 bajtów)
0 31 32 127 128 1127 1128 2127
k o m e n t a r z d a n e d o t y c z ą c e p o m i a r ó w
500 w y n i k ó w p o m i a r u napi ę c i a w y j ś c i o w e g o
500 w y n i k ó w p o m i a r u
p r ą d u (napięcia) z a s i l a n i a
Rys. 3. Struktura pliku dyskow ego z wynikami pom iarów odpow iedzi m ostka pelikstorow ego
Fig. 3. Strukturę o f the disk file with results o f a m easurem ent o f the pellistor bridge response
Tablica 1 Znaczenie bajtów nagłów ka pliku dyskow ego z wynikami pom iarów odpow iedzi m ostka pelistorow ego
N um er bajtu | Znaczenie 0... 31 K om entarz 3 2 . 3 6 “D A T A :”
37, 38 Dzień 39, 40 Miesiąc 4 1 ..4 4 R ok
45 - Separator
46... 54 “ ST EZ E N IE:”
55...57 Stężenie mieszanki w zorcowej 58
59 “#” - Separator 6 0 ..6 9 “Z A S IL A N IE :’
70 Rodzaj zasilania (“U” lub “I”)
71 - Separator
72... 86 “N AP. Z A SILA N IA :” lub “PR A D ZA SILA N IA ” 87...90 W artość napięcia lub prądu zasilania
90, 92 “V” lub “mA ” 93 “# ” - Separator 94...99 “ SE R IA :”
100 Seria pom iarów dla pow tórzeń (“A” ...”Z” )
101 - Separator
102...111 “N R P E L .A K :”
112, 113 N um er pelistora aktyw nego
114 - Separator
115...124 “N R P E L .P A :”
125, 126 N um er pelistora pasyw nego 127 “#” - Separator
Stanowisko do badania stanów 69
K ażdy w ynik pom iarow y zajm uje dw a bajty, z których pierwszy zaw iera 8 starszych bitów w yniku przetw arzania A/C, natom iast pozostałe 4 m łodsze bity oraz 4-bitow y num er kanału przetw ornika zajm ują odpow iednio 4 starsze i 4 m łodsze bity drugiego bajtu. Wyniki pom iatu napięcia w yjściow ego o raz odpow iednio prądu lub napięcia zasilania m ostka um ieszczone są w pliku w kolejności ich uzyskiwania.
4. O PIS PR O G R A M U M IK R O K O M PU T E R A IB M PC D O A N A LIZY D A N Y C H Z U K Ł A D U PO M IA R O W E G O
P rogram napisany został w języku T urbo Pascal i m oże być uruchom iony na każdym m ikrokom puterze kom patybilnym z IB M PC z d ow olną kartą graficzną. D o podstaw ow ych funkcji program u należy rysow anie na ekranie m onitora przebiegów pom iarow ych oraz przebiegów uzyskanych z obliczeń. P o w ybraniu opcji rysow ania na ekranie w ypisywany jest katalog z dostępnym i plikami zaw ierającymi dane pom iarow e. Klawiszami kursora m ożna wybrać żądany zbiór i po zaakceptow aniu klawiszem <E nter> na aekranie pojaw iają się kolejno zarejestrow ane przebiegi. N astępnie na podstaw ie tych przebiegów oraz param etrów pelistorów w tem peraturze 20°C są w yznaczane i w ykreślane przebiegi czasow e rezystancji i tem peratury poszczególnych pelistorów . Rysow ane przebiegi m o g ą być w dow olnym m om encie w ydrukow ane na drukarce mozaikowej.
L IT ER A T U R A
[1] B aker A R ., Firth J.G.: Theestim ation o f firedam p, aplications and limitations o f the pelistor 1969.
[2] Com bustible gas detector elem ents. English Electric V alve C om pany Ltd. 1977.
[3] Jakubiec J., Pokryw ka Z. M odel m ostka pelistorow ego w stanie nieustalonym po w łączeniu napięcia zasilania. Zeszyty N aukow e Politechniki Śląskiej seria Elektryka z. 134, Gliwice 1994.
Recenzent: Prof.dr hab.inż. Zygm unt Kuśm ierek W płynęło do Redakcji dnia 15 m aja 1993 r.
A bstract
T he pellistors are resistance elem ents w hich m ake m easurem ent o f combustible mixtures concentration possible on the principle o f catalysis com bustion. In the paper the construction and usage procedure o f the stand for identification properties o f pallistor sensors in the transient state after sw iching on the supply voltage o f pellistor bridge have been described.
The stand facilitates m easurem ent and logging o f the pellistor bridge supply voltage, its output voltage and pellistor current. This, in turn, m akes determ ining time changes o f pellistor bridge basic param eters possible on the ground o f suitable calculation: pellistors resistance, their tem peratures, tim e-constants and obtaining catalysis com bustion process.
