zabika.ru
добавить свой файл
1 2 3
Автоматический микропроцессорный регулятор


парциального давления кислорода
Zirconia-318


Руководство по эксплуатации

версия 2.1

Назначение и основные функциональные возможности
Регулятор автоматический микропроцессорный Zirconia-318, далее регулятор, разработан специально для применения в составе экспериментальных установок, используемых при проведении научно-исследовательских работ в области изучения свойств нестехиометрических окислов. Он предназначен для поддержания в замкнутом объеме заданного значения парциального давления кислорода при помощи электрохимической системы насос-датчик на основе кислородпроводящих твердых электролитов. Одновременно он также способен поддерживать заданную температуру в электрической печи, содержащей обслуживаемую электрохимическую систему. Регулятор выпускается в двух модификациях Zirconia-318 и Zirconia-318P. Последняя отличается повышенной нагрузочной способностью блока питания электрохимического насоса.

Благодаря высокой гибкости регулятор может быть переконфигурирован для работы с физическими величинами иными, чем температура и давление кислорода. Также поддерживается измерение ЭДС дополнительного датчика – термопары, твердоэлектролитного сенсора и др. Таким образом, возможна перенастройка регулятора для выполнения (одновременно с основным назначением, либо вместо него) самых различных функций. Наиболее простая из них – трехканальный вольтметр с выдачей результатов измерения на индикатор и по интерфейсу RS232. Работа может производиться как в автономном режиме под управлением оператора, так и в составе полностью автоматизированной системы, управляемой внешним компьютером.

Регулятор также предоставляет возможность установки дополнительного модуля расширения R-318 (в дальнейшем модуль). Модуль предназначен для непосредственного измерения физико-химических свойств нестехиометричных оксидов. Он включает в себя многоканальный аналого-цифровой преобразователь высокого разрешения, управляемые источники тока и напряжения, образцовую меру сопротивления, цепь управления внешним нагревателем, а также схему сопряжения с регулятором Zirconia-318, включающую полную гальваническую развязку. Данный набор функциональных узлов позволяет при наличии соответствующего программного обеспечения реализовать среди прочего измерения следующих свойств:


  • Электропроводности на постоянном токе, в том числе с использованием четырехпроводной методики

  • Коэффициента термо-ЭДС с применением дополнительного нагревателя

  • Кислородной нестехиометрии с использованием методики кулонометрического титрования.


Технические характеристики


  • Количество основных входов для подключения внешних датчиков (термопар, электролитов и др.) – 3, количество выходов для подключения электролитического насоса – 1, электронагревателей печи – 1.

  • Возможные режимы работы основных входов (Таблица 1)

Назначение

Единицы измерения

Пределы изменения

Шаг квантования

Примечание

2000 mV

mV

-2250..750

0.1




300 mV

mV

±300

0.01




30 mV

mV

±30

0.001




Log(Po2)/2

Log(atm)

-30..+10

0.001

Значения температуры измеряются каналом 2/3

Log(Po2)/3

Log(atm)


-30..+10

0.001

ТПП (S)

0С

-50..+1600

0.1

Требуют внешнего дат-чика термокомпенсации

ТХА (K)

0С

-200..1300

0.1

ТПР (B)

0С

150..1800

1..0.1






  • Погрешность измерения напряжения по основным входам не более 0.05% от полной шкалы, входной ток не более 1нА.

  • Ошибка измерения температуры без учета погрешности термопары не более 20С.

  • Диапазон поддерживаемых значений давления кислорода ограничен возможностями электрохимической системы. Проверена работоспособность регулятора в пределах 1 – 10 20атм.

  • Нестабильность поддержания давления кислорода при использовании рекомендуемой конфигурации электрохимической системы и температурах более 7500С ±1mV ЭДС датчика при условии правильного подбора констант регулирования.

  • Максимальный ток насоса при напряжении 0В – не менее 300mA, при напряжении 1В – не менее 180mA; для модификации P 700mA и 450mA соответственно.

  • Диапазон изменения напряжения на насосе – настраиваемый в пределах ±2V.

  • Разрешающая способность измерения тока насоса – 1mA, напряжения на насосе – 10mV.

  • Нестабильность поддержания температуры при правильных настройках не более ±10С.
  • Тип управления нагревателем электропечи – широтно-импульсная модуляция с периодом 0.21 секунды и переключением в момент перехода сетевого напряжения через ноль.


  • Интерфейс для связи с персональным компьютером – RS232C с гальванической развязкой. Параметры обмена – 19200 бит/сек, 8 информационных и 2 стоповых бита без проверки четности.

  • Способы ввода задания – либо с передней панели, либо через интерфейс внешних устройств, либо по напряжению, в том числе посредством дополнительного датчика.

  • Память настроек – энергонезависимая, не требует электрохимических источников тока, позволяет корректно продолжить работу после аварии электропитания с постепенным выходом на требуемый режим.

  • Температура окружающей среды во время эксплуатации – от 10 до 400С, рекомендуется от 15 до 300С, влажность воздуха при 250С от 15 до 90%, рекомендуется от 30 до 80%.

  • Напряжение питания 220 вольт ±10%, 50Гц, потребляемая мощность не более 15ВА.

  • Монтаж щитовой, габаритные размеры В×Ш×Г – 72×144×180 мм.


Характеристики дополнительного модуля R-318:

  • Входное напряжение АЦП – до 1.28В

  • Систематическая погрешность АЦП не более 0.1% от измеряемого значения +1 μV, интегральная нелинейность не более 0.3μV либо 0.003% от измеряемого значения

  • Входной ток не более 50нА

  • Выходное напряжения источника напряжения 1.2V±5%

  • Выходной ток источника тока ±1мА±5% при напряжении до 1.8В

  • Величина образцовой меры сопротивления 100 Ом±0.1%

  • Конструктивное исполнение – печатная плата, присоединяемая, к разъему расширения внутри корпуса регулятора Zirconia-318


Комплект поставки
Таблица 2




Наименование позиции

Кол-во

1


Регулятор Zirconia-318

1

2

Датчик температуры AD592AN

1

3

Разъем питания

1

4

Кабель RS232

1

5

Предохранитель плавкий 0.25А

2

6

Комплект крепежа для установки на панели

1

7

Настоящая инструкция

1


Конструкция и принцип действия
Конструктивно регулятор выполнен в стандартном (DIN) пластмассовом корпусе, предназначенном для монтажа в вертикальную щитовую панель. На передней стороне располагаются органы управления – жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), четыре клавиши управления: < /меньше/, > /больше/,  /функция/ и  /ввод/, а также выключатель питания. Со стороны задней стенки выступает край печатной платы, изображенный ни рис. 1.


Рис. 1. Выступающая в задней части регулятора часть платы.
На этом краю расположены сборный клеммный блок Х4, сменный оптрон управления тиристорами DA7 и технологический разъем Х3, предназначенный для программирования регулятора в процессе производства или ремонта. Клеммы блока Х4 служат для подключения всех внешних цепей и нумеруются от 1 до 24, как показано на рисунке. Функции различных контактов приведены в таблице 3.



Группа сигналов

Назначение в группе

1

Датчик термокомпенсации

Входной сигнал

2

Общий провод датчика (AGND)

3

Входы основных датчиков

Канал 3

4

Канал 2

5

Канал 1

6

Общий провод входов

7

Датчик термокомпенсации

+ питания (+5V)

8

Электрохимический насос

Наружный (воздушный) электрод

9

Внутренний (рабочий) электрод

10

Контакты модуля R-318

(при отсутствии модуля не задействованы)

«верхняя»

термопара

Платино-родиевый электрод

11

Pt/потенциальный электрод

12

«нижняя»

термопара

Платино-родиевый электрод


13

Pt/потенциальный электрод

14

«Верхний» токовый электрод

15

«Нижний» токовый электрод

16

Выход источника тока

17

Управление дополнительным нагревателем .

4

18

6

19

Контакты оптрона DA7

4

20

5

21

6

22

Интерфейс RS232

Прием данных (RXD)

23

Передача данных (TXD)

24

Изолированный общий провод


На левой стенке размещены разъем питания (220В) и крышка конструктивно совмещенного с разъемом отсека предохранителя. На правой стенке находится отверстие для доступа к регулятору контрастности ЖКИ.

Общая структура регулятора представлена на рис. 2.



Рис 2. Общая структура регулятора.

Регулятор содержит три входа для подключения внешних датчиков, числовые значения с которых выводятся на ЖКИ, а также поступают в блоки регулирования и к внешним устройствам через интерфейс RS232. В первых трех режимах, перечисленных в таблице 1, данные числовые значения соответствуют напряжению на входах; в двух последующих – давлению кислорода, вычисленному из этого напряжения по уравнению Нернста с использованием значения температуры с соответствующего (другого) входа в предположении, что электрод датчика, соединенный с клеммой 6 находится при давлении кислорода 0.21 атм.; и, наконец, в трех последних режимах производится пересчет напряжения в значение температуры для одного из трех типов термопар с учетом значения температуры холодных концов.


Входы 1 и 2 соединены с блоками регулирования парциального давления кислорода и температуры соответственно. Вход 3 может быть использован как самостоятельно, для измерения внешнего напряжения, так и служить для передачи задания в один из блоков регулирования. Блок питания насоса вырабатывает под управлением регулятора давления напряжение U, по следующему закону зависящее от измеренного E и заданного E0 ЭДС датчика давлений кислорода:
(1),

где Ci, Cp и С3 – константы регулирования, задаваемые пользователем, а t0 – текущий момент времени.

Регулятор температуры вырабатывает управляющий сигнал S

(2),

где CiT и CpT – константы регулирования, T0 и T – температура задания и фактическая температура соответственно. Блок управления тиристорами построен таким образом, что бы ток через нагреватель печи был пропорционален управляющему сигналу. Максимальное значение тока достигается при S=255.

Сигнал S преобразуется в импульсы длительности 0.21*S/255 секунд, вырабатываемые с фиксированной частотой 5 импульсов в секунду. Данные импульсы подаются на сменную оптопару DA7. Регулятор поставляется в комплекте с предустановленной симисторной оптопарой типа MOC3063, осуществляющей управление симистором или тиристорами с задержкой переключения до момента перехода сетевого напряжения через ноль.

Оба блока регулирования могут функционировать в двух режимах – автоматическом и ручном, когда их выходной сигнал задается непосредственно пользователем. В любом случае выходной сигнал ограничен сверху и снизу пределами, задаваемыми через меню конфигурации. Блок регулирования температуры может работать в автоматическом режиме при любом из восьми режимов относящегося к нему входа 2. Автоматическое поддержание давления при этом, функционирует только в случае, когда вход 1 находится в режимах 2000mV, Log(Po2)/2 или Log(Po2)/3. При попытке установки иных режимов он самостоятельно переключается на ручную установку выходного сигнала. Переход в ручной режим в любом из блоков происходит также при перегрузке соответствующего входа. После прекращения перегрузки автоматическое регулирование возобновляется.

Установка и подключение
Установку и эксплуатацию регулятора должно проводить лицо, ознакомившиеся с данной инструкцией и прошедшее проверку знаний по технике безопасности. Регулятор должен быть закреплен на приборном щите либо горизонтальной поверхности таким образом, чтобы исключить его перемещение и короткие замыкания в подходящих к нему с задней стороны цепях. Эксплуатация в незакрепленном варианте допускается только в случае использования регулятора в качестве измерителя. Регулятор, транспортировавшийся при отрицательной температуре, следует перед включением продержать в условиях помещения не менее двух часов.

Для подключения к клеммному блоку используются медные провода сечением 0,15 – 1 мм2. Изоляция с проводов снимается на длину порядка 3 мм, таким образом, чтобы обеспечить надежное соединение и, в то же время исключить возможность короткого замыкания между соседними проводами. Цепь питания электронагревателя печи через внешние усилительные элементы (тиристоры) на время монтажа должна быть обесточена в обязательном порядке. Запрещается подача на клеммы 1 – 9 напряжений, пиковое значение которых превышает 2.5 вольта. Следует учитывать, что многие огнеупорные материалы приобретают при повышенных температурах значительную электрическую проводимость, что может привести в ряде случаев к попаданию на цепи регулятора недопустимого напряжения с нагревателя. Необходимо также оберегать электрические цепи регулятора от воздействия статического электричества.

Присоединение внешних цепей осуществляется согласно таблице 3. К клеммам 3 – 5 подключаются проводники термопар, имеющие положительный потенциал при нагревании измерительного спая, и измерительные электроды датчиков давления, обращенные к внутреннему объему электрохимической системы. Имеющие отрицательный потенциал проводники термопар и сравнительные электроды объединяются на клемме 6. В случае, если электрохимические датчик и насос не имеют электрической связи, например через объем твердого электролита при их конструктивном совмещении, необходимо объединить клеммы 6 и 8


следующая страница >>