Современные информационные технологии/1. Компьютерная инженерия

д.т.н., професор Лукашенко В.М., к.т.н. Уткіна Т.Ю., магістранти Стужук С.Ю., Козіков Д.С.

Черкаський державний технологічний університет, Україна

ДОСЛІДЖЕННЯ ІСНУЮЧИХ БІФУНКЦІОНАЛЬНИХ КОМПОНЕНТІВ ПІДСИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ ПАРАМЕТРІВ МІКРОКЛІМАТУ МІКРОПРОЦЕСОРНИХ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ

 

В наш час підсистеми моніторингу параметрів мікроклімату мікропроцесорних систем керування технологічними процесами знаходять широке застосування у багатьох областях промисловості, до яких у тому числі відноситься і процес зварювання тонкостінних конструкцій за допомогою лазерного випромінювання [1-3].

Дійсно, невідповідність параметрів мікроклімату оточуючого середовища може призвести до непередбачуваних наслідків при роботі ЛТО.

Одним з основних компонентів підсистем моніторингу параметрів мікроклімату є датчики. Датчики – це електронні пристрої призначені для виявлення або вимірювання фізичних величин та перетворення їх у електронний сигнал [4].

За кількістю вимірюваних параметрів датчики поділяють на одно-, бі- і поліфункціональні. Більший інтерес представляють біфункціональні цифрові датчики вимірювання температури та вологості, як основні компоненти підсистеми моніторингу мікроклімату мікропроцесорних систем керування ЛТО. До складу такого датчику, як правило, входить сам датчик, підсилювач сигналу, АЦП, обчислювач з інтерфейсною схемою та енергонезалежною пам’яттю, функціональні обчислення в якому виконуються на базі таблично-алгоритмічних методів [1, 4-5].

Сьогодні на ринку представлено безліч біфункціональних датчиків вимірювання температури і вологості, які відрізняються за принципом дії, вибором точки відліку, механізмом перетворень і типом вихідного сигналу й ін.

Отже, дослідження існуючих біфункціональних компонентів, у тому числі і датчиків вимірювання температури та вологості, підсистеми моніторингу параметрів мікроклімату мікропроцесорних систем керування ЛТО за багатьма параметрами є актуальною задачею.

Метою роботи є дослідження існуючих біфункціональних компонентів підсистеми моніторингу параметрів мікроклімату мікропроцесорних систем керування лазерним технологічним обладнанням.

Для досягнення цієї мети необхідно:

-     скласти перелік сучасних фізичних моделей біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості й значень їх основних технічних параметрів;

-     визначити узагальнений математичний опис, що пов’язує вибрані технічні параметри сучасних біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості (при відсутності математичної залежності між параметрами використати властивості теорії неповної подібності та розмірностей);

-     розробити умовні критерії подібності за відповідними визначальними величинами, які приведені в переліку п.1 та надати їм фізичного тлумачення;

-     визначити значення умовних критеріїв подібності;

-     побудувати двоквадрантну знакову модель залежності технічних параметрів сучасних біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості в безрозмірних координатах;

-     провести аналіз для визначення найкращих за багатьма параметрами та напрямку удосконалення фізичних моделей сучасних біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості.

Рішення проблемної задачі. На основі евристичного методу складено перелік сучасних фізичних моделей біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості найбільш відомих фірм-виробників: Sensirion, Honeywell, Silicon Laboratories, Innovative Sensor Technology.

Для обраних датчиків визначені наступні основні технічні параметри: максимальна допустима робоча температура, мінімальна допустима робоча температура, робоча частота, час відклику при вимірюванні, максимальний робочий струм, максимальна робоча напруга, потужність розсіювання.

Узагальнений математичний опис, що пов’язує основні технічні параметри сучасних біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості (табл. 1, пп. 1, 2, … 9) має наступний вигляд:

                                                                            (1)

де      –         максимальна допустима робоча температура [°C];

    –         мінімальна допустима робоча температура [°C];

    –  робоча частота біфункціонального датчику вимірювання температури та вологості [кГц];

     –  час відклику при вимірюванні [с];

    –  максимально допустима робоча напруга [В];

     –  максимально допустимий робочий струм [мА];

  –  потужність розсіювання [мВт].

Потужність розсіювання кристалу обчислюється за формулою (2):

                                             ,                                                       (2)

де      –  максимальна температура [°C].

Оскільки аналітичний вираз немає залежності між приведеними у математичному описі (1) основними технічними параметрами біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості, то пропонується використовувати властивості теорії неповної подібності та розмірностей.

Із основних технічних параметрів сучасних біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості створюється перелік визначальних величин, тобто їх значення адекватні параметрам в табл. 1.

Застосовуючи властивості теорії неповної подібності та розмірностей, розробляється рівняння на основі умовних критеріїв. Умовними критеріями подібності називаються прості безрозмірні степеневі комплекси, що сформовані із визначальних величин [6-8].

Таблиця 1

Перелік основних технічних параметрів сучасних біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості та
умовних критеріїв подібності

№

Харак-терис-тики

 

Дат-чики

Діапазон роб. тем-ператур, ˚С

Роб. часто­та, кГц

Час відклику при вимірю­ванні, с.

Макс. роб. струм,  мА

Макс. роб. напру­га, В

Потуж­ність розсію-вання, мВт

Критерії

від

до

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Honeywell

1

HIH6130

-25

85

100

6

0,65

5,5

282,61

1,29

79,05

600

2

HIH9120

-40

125

100

8

0,65

5,5

108,70

1,32

30,40

800

Innovative Sensor Technology

3

HYT-221

-40

125

100

12

0,85

5,5

108,70

1,32

23,25

1200

Sensirion

4

SHT15

-40

123

100

8

1

5,5

117,39

1,33

21,34

800

5

SHT21

-40

125

100

8

0,33

3,6

108,70

1,32

91,49

800

6

SHT71

-40

123

100

8

1

5,5

117,39

1,33

21,34

800

Silicon Laboratories

7

SI7005

-40

85

100

8

0,24

3,6

282,61

1,47

327,09

800

 

При використанні евристичного методу визначення умовних критеріїв подібності критеріальне рівняння приймає вид:

                                                                          (3)

де    – величина, яка характеризує температурний діапазон роботи датчиків;

                – величина, яка характеризує швидкодію датчиків;

             – величина, яка характеризує енергетичний резерв.

На базі критеріального рівняння (3) і даних основних технічних параметрів сучасних біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості (табл. 1) будується двоквадрантна знакова модель залежності основних технічних параметрів в безрозмірних координатах ,  та , показана на рис. 1.

Рис. 1. Двоквадрантна знакова модель залежності основних технічних параметрів сучасних біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості ,  та  в безрозмірних координатах

Примітка: цифри – 1, 2, …, 7 відповідають порядковому номеру датчиків вимірювання температури та вологості, приведених в табл. 1.

Проведений аналіз (рис. 1) показує, що найкращими параметрами володіє біфункціональний датчик SI7005 фірми Silicon Laboratories, завдяки широкому температурному діапазону, найбільшому значенню енергетичного резерву та достатній на сьогодні швидкодії.

Запропонована двоквадрантна знакова модель дозволяє одночасно за високим енергетичним резервом, достатніми робочим температурним діапазоном та швидкодією виділити біфункціональні датчики HIH9120 фірми Honeywell та SHT15фірми Sensirion.

Висновки:

1.       Проведено дослідження існуючих біфункціональних компонентів підсистеми моніторингу параметрів мікроклімату мікропроцесорних систем керування ЛТО, що дозволило швидко визначити сучасні фізичні моделі біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості з найкращими технічними параметрами завдяки теорії неповної подібності та розмірностей, а також за скорочений час обрати напрямок удосконалення фізичних моделей біфункціональних датчиків вимірювання температури та вологості за декількома параметрами одночасно.

2.       Визначено фізичне моделювання та розроблені умовні критерії подібності ,  та  – величини яких характеризують робочий температурний діапазон, швидкодію та енергетичний резерв відповідно.

3.       Побудована двоквадрантна знакова модель залежності основних технічних параметрів в безрозмірних координатах ,  та  для 10 біфункціональних датчиків. Це надає можливість швидко вибрати найкращий біфункціональний датчик для підсистеми моніторингу параметрів мікроклімату мікропроцесорних систем керування ЛТО та визначити напрямок удосконалення.

4.       Досліджені технічні параметри, які підтвердили, що біфункціональний датчик SI7005 фірми Silicon Laboratories володіє найкращими характеристиками, так як має широкий температурний діапазон, найбільше значення енергетичного резерву та достатню швидкодію.

Перспективою подальших досліджень є дослідження методів апаратурної реалізації сучасних біфункціональних компонентів підсистеми моніторингу параметрів мікроклімату мікропроцесорних систем керування ЛТО.

 

Література:

1.       Лукашенко А.Г. Спеціалізовані сопроцесори на базі таблично-алгоритмічних методів для лазерних маніпуляторів : [монографія] / А. Г. Лукашенко, В. М. Лукашенко, Д. А. Лукашенко ; «ЧДНДІТЕІХП». – Черкаси, 2010. – 164 с. – Укр. – Деп. В ВИНИТИ 20.06.2010, № 11-хп 2010 // Анот. в РЖ «Депоновані наукові роботи». – 2010.

2.       Системный анализ лазерных излучателей на основе теории
неполного подобия и размерностей / А. Г. Лукашенко, В. М. Лукашенко, Т. Ю. Уткина и др. // Zprávy vědecké ideje – 2012 : materiály VIII Mezinárodní vědecko-praktická konference : (27 října-05 listopadu 2012 roku, Praha). – Praha: “Education and Science”, 2012. – Т. 21. – C. 47–51.

3.       Уткіна Т. Ю. Узагальнена біометрична модель доступу до мікропроцесорної системи керування спеціалізованого лазерного технологічного комплексу / Т. Ю. Уткіна, О. С. Вербицький, А. Г. Лукашенко // Вісник Хмел. нац. ун-ту. – 2012. – № 1. – С. 131–136.

4.       Варзар Р. Л. Суперсенсорный компьютер для измерения и анализа параметров окружающей среды / Р. Л. Варзар, А. Я. Аноприенко // Информатика и компьютерные технологии : сб. трудов VIII Международ. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых : (18–19 сентября 2012 г., Донецк, ДонНТУ). – 2012. В 2-х томах. – Т. 2. – с. 156.

5.       Базовый кристалл при создании таблично-алгоритмических сопроцессоров / В. М. Лукашенко, Т. Ю. Уткина, В. А. Лукашенко и др. // Інформатика, математика, автоматика – 2012 : матеріали наук.-техн. конф. : (16-21 квіт. 2012 р., Суми). Суми : СумДУ, 2012. – С. 126–127.

6.       Лукашенко В. М. Критериальные зависимости для выбора оптимальних параметров коммутаторов / В. М. Лукашенко // Вісник ЧІТІ. ‑ 2000. ‑ № 3. ‑ С. 65‑70.

7.       Лукашенко А. Г. Виявлення резерву предмета дослідження на основі теорії неповної подібності та розмірностей / А. Г. Лукашенко, О. А. Кулигін, В. М. Лукашенко. // Вісник Хмел. нац. ун-ту. – 2009. – № 3. – С. 184–187.

8.       Метод візуалізації для вибору сучасних базових компонентів мікропроцесорних систем керування / В. М. Лукашенко, Т. Ю. Уткіна, Д. А. Лукашенко и др. // Aktualne problemy nowoczesnych nauk – 2013 : materiаły IX Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji : (07–15 czerwca 2013 roku, Przemyśl, Польша). – Przemyśl : Nauka i studia, 2013. – Т. 30. – C. 14–18.