Устройство тепловычислителя

Условно тепловычислитель можно разделить на четыре основные части (рис. 1.5.) взаимодействующие между собой:

· измерительная;

· вычислительная;

· интерфейсная;

· источник питания.

Измерительная Вычислительная Интерфейсная

Источники питания

Рис. 1.5. Структурная схема тепловычислителя

На входы измерительной части поступают сигналы измерительной информации в виде аналогового, частотного или импульсного сигналов. Сигналы измерительной информации в виде частотного или импульсного сигналов через гальваническую развязку с помощью мультиплексора частотно-импульсных сигналов поступают на входы процессора. На входах аналоговых сигналов установлены входные преобразователи «ток-напряжение» с резисторами нагрузки. Мультиплексор аналоговых сигналов последовательно подключает каналы к входам измерительного усилителя. Для измерения сигналов в виде сопротивления в тепловычислителях устанавливается источник стабильного тока. Выходные сигналы с измерительного усилителя поступают на вход аналого-цифрового преобразователя и далее на вход процессора.

Основным элементом вычислительной части тепловычислителя является микропроцессор (CPU), работа микропроцессора осуществляется по программе, сохраняемой в памяти программ (ROM). Результаты измерений и архивы измерений и вычислений сохраняются в постоянном запоминающем устройстве (FLASH). Результаты промежуточных вычислений, сопровождающие работу процессора, сохраняются в оперативном запоминающем устройстве (RAM). Устройство ручного ввода информации (клавиатура) позволяет оператору взаимодействовать с процессором.

Интерфейсная часть тепловычислителя позволяет выполнять следующие действия:

- осуществлять обмен данными с локальным компьютером или принтером, или с переносными устройствами сбора и хранения данных;

- организовывать обмен данными с удаленным компьютером по коммутируемым и некоммутируемым линиям связи;

- передачу сигнала о появлении нережимной ситуации.

На рис. 1.6. приведена более детальная структурная схема тепловычислителя. Основным элементом вычислительной части является аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Аналоговые сигналы поступают на входные преобразователи I/U «ток-напряжение» с резисторами нагрузки R. В качестве резисторов нагрузки используются прецизионные термостабильные резисторы, которые преобразуют входные сигналы силы тока в напряжение, пригодное для измерения АЦП.

Входные сигналы с резисторов нагрузки с помощью многоканального мультиплексора аналоговых сигналов МХ поочередно подключаются к входам измерительного усилителя ИУ, который выполнен в виде дифференциального усилителя. Дифференциальный усилитель – это схема, используемая для усиления разности напряжений двух входных сигналов. В идеальном случае выходной сигнал не зависит от уровня каждого из входных сигналов, а определяется только их разностью. Дифференциальные усилители используют в тех случаях, когда слабый сигнал может быть потерян на фоне шумов. На вход мультиплексора МХ поступает также напряжение источника высокостабильного опорного напряжения U _о.

Для измерения сигналов первичных преобразователей, представляющих сопротивления постоянному току, в тепловычислителе установлен источник стабильного тока ИТ, у которого значение выходного тока не зависит от сопротивления нагрузки.

Частотно-импульсные сигналы в виде последовательности импульсов поступают на устройства гальванической развязки ГР. С выходов ГР эти сигналы через мультиплексор частотно-импульсных сигналов MXD поступают на входы процессора CPU.

F 1+ ПИ

ГР MXD CPU

F 1- ROM

·

· ИНТ ГР

·

Fn +

ГР ОПТ

Fn -

R 1+ U/ R КЛ G FLASH

I 1+ MX

R/I 1-

R 2+

I 2+ I/U А T GT

R/I 2- ИУ

· D

· RAM

· + U 1 - U 2 + U 1 - U 2

Rn +

In + I/U

R/In -

GB WD + U 3

Uo

U3

+ U 1 - U 2 + U 1 – U 2

I + - U 2 + U 1 - U 2 + U 3 + U 4 - U 4

I - ИТ + U 1

~

~220В/50Гц

Рис. 1.6. Структурная схема тепловычислителя

ГР – гальваническая развязка; I/U – преобразователь «ток-напряжение»; МХ – мультиплексор аналоговых сигналов; U _о – источник опорного напряжения; ИУ – измерительный усилитель; MXD – мультиплексор частотно-импульсных сигналов; A/D – аналого-цифровой преобразователь (АЦП); КЛ – устройство ручного ввода информации (клавиатура); G – генератор импульсов синхронизации процесса; CPU – процессор; ROM – память программ; GB – источник резервного питания (батарея); WD – супервизор питания; RAM – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); Т – таймер; GT – генератор импульсов синхронизации таймера; FLASH – постоянное запоминающее устройство данных (ПЗУ); ОПТ – оптический порт обмена данными; ИНТ – интерфейсные устройства обмена данными.

Микропроцессор CPU управляет всей работой прибора и производит математические расчеты. Программа работы микропроцессора в виде двоичных кодов хранится в памяти программ ROM, входящей в микросхему процессора или выполненную в виде самостоятельной интегральной микросхемы. Для синхронизации работы микропроцессора используется генератор импульсов синхронизации G. Результаты измерений и архивы процессор сохраняет в постоянном запоминающем устройстве данных FLAS H, сохраняющем свое содержимое после отключения источника питания. Промежуточные данные, возникающие в процессе работы вычислителя, процессор хранит в оперативном запоминающем устройстве RAM, которое также может быть энергонезависимым.

Для измерения временного интервала, текущего времени, текущей даты применяется энергонезависимый таймер Т с собственным генератором импульсов синхронизации GT.

Питание энергонезависимых устройств тепловычислителя осуществляется от резервного источника питания GB, в качестве которого используется литиевая батарея или аккумулятор. Для контроля работы и питания тепловычислителя установлен супервизор WD, который обеспечивает:

- пуск процессора при включении основного источника питания;

- переключение энергонезависимых устройств тепловычислителя на питание от резервного источника при отключении основного источника питания;

- сохранение процессором данных в RAM при выключении основного источника питания.

Устройство ручного ввода информации КЛ (клавиатура) позволяет оператору вводить данные в память тепловычислителя и производить конфигурирование (программирование). Клавиатура может иметь различное конструктивное решение.

Встроенное цифровое отсчетное устройство ПИ (панель индикации) обеспечивает отображение символьной информации, представляющей из себя результат измерений, индикацию текущего режима работы, нештатные ситуации.

Устройства интерфейсной части тепловычислителя обеспечивают обмен данными между процессором и внешними устройствами. Оптический порт обмена данными ОПТ предназначен для приема команд синхронизации и передачи результатов работы тепловычислителя при совместной работе его с переносными устройствами сбора и хранения данных или для связи с портом компьютера посредством излучения в инфракрасном спектре ИК.

Интерфейсные устройства обмена данными ИНТ через гальваническую развязку ГР обеспечивают:

- обмен данными с локальным компьютером или принтером;

- обмен данными с переносными устройствами сбора и хранения данных по информационной магистрали;

- обмен данными с удаленным компьютером по коммутируемым линиям связи и конфигурирование приборов;

- передачу сигнала, информирующего о возникновении внережимной ситуации.

Питание тепловычислителя может осуществляться от промышленной сети переменного тока с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Для этого используются преобразователь переменного тока в постоянный и вторичные преобразователи постоянного напряжения (стабилизаторы напряжения). Питание измерительной части тепловычислителя при этом осуществляется от отдельного вторичного преобразователя. Линии связи между измерительной частью и вычислительной могут иметь гальваническую развязку. В случае питания тепловычислителя от химических источников тока применяются специальные схемотехнические решения и элементная база, позволяющие значительно снизить мощность, потребляемую от основного источника питания.