15 февраля 2012 в 18:28

Модернизация промышленной ИК станции, или как нужно делать изначально. Часть 2 От практики к теории

• DIY или Сделай сам

В предыдущей части я написал о Наполеоновских планах по модернизации. Но не все так просто как кажется на первый взгляд.Под катом схемы, и фотки и умные фразы.

Станция + ПК = плюсы и минусы

Начнем с плюсов модернизации, а именно, управление технологическим процессом с ПК.
Данный репак мод, позволит практически полностью контролировать и автоматизировать процесс установки и съема элементов платы, с точным мониторингом температуры и возможностью подстройки на лету.
Так же убирается надобность в вскрытии станции для рекалибровки или же использования сложно ПО для перепрограммирования.В общем кратко сказать - лепота… но.
Главным и пока что единственным минусом есть тот факт что станция будет зависеть от ПО и ПК, и рано или поздно и то и то может дать сбой, внеся убытки или не дай Ктулуху материальный ущерб. При выходе из строя одного из вариантов мы лишаемся возможности работы с станцией и получаем технологический простой. Для избежания данного момента был принято решение на сборку двойного модуля который позволит в экстренном случае перевести режим управления на ручной, но без возможности расширенного мониторинга, чего в принципе будет более чем достаточно для проведения срочных работ.

Для реализации данного момента, придется увеличить программный код исполняемого микроконтроллера, а в нашем случае Atmega 168, и добавить LCD дисплей и пару элементов управления.
Из минусов то что памяти контроллера может не хватить на последующие апгрейды и мы нехило теряем количество доступных портов контроллера.

Но так как мы используем для быстрой загрузки бутлоадер платформы Arduino, то в процессе отладки ничего не составит труда заменить контроллер на более выгодный причем без каких либо изменений кода.

Отслеживание температуры зон

В процессе ремонта плат, при замене BGA чипов, является очень важным моментом, отслеживание температуры пайки. Для правильной пайки необходимо прогреть всю плату и локально греть саму деталь. Если же греть только деталь без прогрева платы или же при недостаточном прогреве платы и не соблюдении температурных режимов, есть огромный риск порчи детали, что не так страшно, или самой платы (вот тут настает абзац)
На фото примеры не соблюдения температурных режимов. Частые случаи, отрываются «пятки», правильнее сказать канавки, более печальные случаи когда «ведет» плату, обычно ремонту уже не подлежит так как при выгибании ломаются межслойные дорожки внутри платы.

Для того что бы уберечься от этой радости, производиться точный мониторинг температур.

Практика

Так как финансами особо не располагаю, то идея использовать инфракрасные датчики бесконтактного измерения температуры пока что отпала. В нашем проекте мы пока что будем использовать три термопары «К» типа, которые имею пределы измерения от 0 - 1000 градусов Цельсия.
Нам же нужны точные измерения до 350 градусов. Чего нам хватит с головой.
Почему же три термо пары а не две?
Все просто, Одна термопара будет мерить температуру платы, вторая температуру прогреваемого чипа(потому для верхнего нагревателя, еще одна термопара не нужна), и третья контрольная, температура нижнего нагревателя. На основе данных третьей термопары будет вестись установка работы нагревателя.
Для точного показания, нам необходимо усилить сигнал с термодатчиков, потому мною была выбрана схема усилителя, которая обеспечит довольно таки точное усиление без помех.


В качестве ОУ(операционного усилителя), я использую LM358, так как она распространена, имеет одно полярное питание, и дает нам необходимый коэффициент усиления. Для всех термопар нужно собрать три блока, фото которых будет в третьей но не последней части.

Из проблем практически все обсудили, единственный момент который пока что мне не удалось решить это как убрать разнос температур по площади нижнего нагревателя и как заставить программу понимать разные данные которые ей посылает МК.

P.S.: На первом фото изображен инфракрасный термодатчик MLX90614

Гр. ХК; Гр. ХА; Гр. ПП; Гр. ПР 30/6 ; Гр. ВР 5/20 .

Положительным является электрод, материал которого стоит первым в градуировке, отрицательным - второй.

Компенсационные провода

Применение компенсационных проводов позволяет как бы удлиннить термопару и перенести ее свободные концы на вход вторичного прибора. Их изготавливают из материалов, которые развивают ту же термо э.д.с., что и сама термопара.

Например, для ТХК применяют хромель-копелевые провода, а для ТХА один провод - медный, а другой - константановый (60% Cu + 40% Ni).

Автоматический электронный потенциометр КСП-4

КСП - 4 предназначен для измерения, записи и сигнализации температуры, работает в комплекте с термопарами. Монтируется на щите управления в операторной.

Рис. Принципиальная схема потенциометра КСП-4

Устройство:

ИМ – измерительный мост;

ИПС – источник питания стабилизированный;

РД – реверсивный двигатель;

СД – синхронный двигатель;

РУ – регистрирующее устройство;

ЭУ – электронный усилитель;

Rр – реохорд (калиброванное манганиновое сопротивление);

Rш – шунт реохорда (служит для ограничения тока, протекающего через реохорд);

R – резистор для подгонки сопротивления реохорда к расчётному значению;

Rд – переменный резистор (для регулирования рабочего тока ИПСа);

Rн - резистор для подгонки начала шкалы;

Rп – резистор для подгонки конца шкалы;

Т – термопара;

ПК – преобразующий каскад;

УН – усилитель напряжения;

УМ – усилитель мощности;

Rк – медное сопротивление (устраняет погрешность от изменения температуры окружающей среды).

Rф1, Cф1– Г- образные фильтры, предназначены для устранения помех, возникающих в цепи

термопары;

Rд – переменный резистор (для регулирования рабочего тока ИПСа)

Принцип действия основан на потенциометрическом (компенсационном) методе измерения. Он заключается в уравновешивании неизвестной, измеряемой термо э.д.с. термопары известным падением напряжения в измерительной диагонали моста.

Работа

Измеряемая т.э.д.с. термопары сравнивается с напряжением в диагонали bd мостовой схемы. В диагональ aс подключен ИПС. При работе потенциометра разность т.э.д.с. термопары и напряжения, снимаемого с диагонали bd мостовой схемы, подается на вход усилителя. Если измеряемая т.э.д.с. равна этому напряжению, то сигнал на входе усилителя равен нулю. При этом схема находится в равновесии.

При изменении температуры в объекте изменяется т.э.д.с. на концах термопары, равновесие системы нарушается, и на вход усилителя подается напряжение разбаланса постоянного тока. Оно преобразуется в ПК в переменное напряжение, усиливается по напряжению и мощности и приводит в действие РД, который перемещает двигатель до тех пор, пока схема не уравновесится. СРД связаны также стрелка и перо. Синхронный двигатель вращает диаграммную бумагу.

На шкале потенциометра обязательно указывается градуировка термопары, предназначенной для работы в комплекте с этим прибором (Гр. ХК; Гр. ХА; Гр. ПП). К многоточечному потенциометру с помощью компенсационных проводов может быть подключено до 12 однотипных термопар.

Типы потенциометров:

КСП – 1; КСП – 2 –малогабаритные потенциометры с ленточной диаграммой;

КСП – 3 – с ленточной диаграммой;

КСП – 4и – со складывающейся диаграммой, в искробезопасном исполнении.

В последнее время в цехах ОАО «НКНХ» для измерения температуры широко применяются следующие вторичные приборы:

2) ДИСК-250;

Ш-711 – групповой многоканальный измерительный преобразователь, работает с сигналами термопар и термометров сопротивления, а также с унифицированными сигналами тока 0-5; 0-20; 5-20мА и напряжения 0-10В постоянного тока. Возможно подключение до 60 датчиков.

Милливольтметр

Милливольтметры служат для измерения температуры, работают в комплекте с термопарами. Термопары монтируются по месту на аппаратах и в трубопроводах. Милливольтметры монтируются на щите управления в операторной.

ЭДС термопары зависит от разности температур горячего и холодного спаев термопары. Горячий спай находится в измеряемой среде. Холодный спай находится с наружной стороны аппарата, под влиянием температуры окружающего воздуха. Если зимой температура холодного спая доходит до -40 0 С, летом до +40 0 С, то показания милливольтметра зимой и летом будут отличаться на 80 0 С. Чтобы устранить влияние температуры холодного спая на показания милливольтметра, термопара к милливольтметру подключается при помощи компенсационных проводов. Компенсационные провода изготавливают из такого же материала, что и термопара, поэтому холодный спай термопары переносится на заднюю стенку, к клемме милливольтметра. Так как милливольтметр находится в операторной, температура холодного спая изменяется не более, чем на 15 0 С. Остаточное изменение температуры холодного спая устраняется при помощи компенсатора. Компенсатор – это полупроводниковый резистор, с обратным сопротивлением.

Если к милливольтметру подключается несколько термопар, то все термопары должны быть одной градуировки, совпадать с градуировкой милливольтметра. В данном случае термопары подключаются через переключатель.

По внешнему виду милливольтметры и логометры ничем не отличаются. Они определяются по градуировкам: гр.21, гр.22, гр.23, гр.24, 10П, 50П, 100П, 50М, 100М относятся к логометрам. Гр. ХА, гр. ХК, гр. ПП, гр. ПР, гр. ВР относятся к милливольтметрам. Градуировка наносится на шкале прибора.

Устройство

Устройство милливольтметра такое же, как у логометра, отличается тем, что милливольтметр состоит из одной рамки, а логометр из двух рамок.

Рис. Милливольтметр

При увеличении температуры ЭДС термопары возрастает и подводится по двум спиральным пружинам 3 к рамке Р1. При этом ток через рамку возрастает и возрастает магнитное поле рамки. За счёт взаимодействия магнитного поля рамки и магнитного поля постоянного магнита 4 возникает вращающий момент рамки, стрелка 1 поворачивается в сторону максимума. При уменьшении температуры ЭДС термопары уменьшается, ток через рамку и магнитное поле рамки уменьшается. За счёт спиральной пружины стрелка поворачивается в сторону нуля. В некоторых случаях для увеличения чувствительности милливольтметра рамку подключают в мостовую схему.

Компенсатор 7 работает следующим образом: допустим, что температура холодного спая уменьшилась, при этом ЭДС термопары возросла бы. Если не было бы компенсатора, показание милливольтметра возросло бы. При уменьшении температуры сопротивление компенсатора возрастает, что препятствует возрастанию тока через рамку, показание милливольтметра остаётся без изменений. Другой пример: при повышении температуры холодного спая ЭДС. термопары уменьшается, показание милливольтметра уменьшилось бы, при этом сопротивление компенсатора уменьшается и не даёт уменьшения тока через рамку, показание милливольтметра также остаётся без изменения. Чтобы не было перекомпенсации, для уменьшения влияния компенсатора подключен шунтовый резистор 8. Добавочный резистор 6 служит для настройки максимума и для изменения предела измерения милливольтметра.

На передней части милливольтметра имеется корректор нуля, который действует на спиральную пружину. На задней стенке имеется арретир, который служит для фиксации стрелки прибора при транспортировке.

Термопары широко применяются там где необходимо точно померить высокие температуры, т емпературы вплоть до 2500°C. То есть там, где цифровые датчики бы сразу сдохли от перегрева, применяются термопары. Разновидностей термопар существует достаточно много, но самое большое распространение получили хромель-алюмелевые (тип К) термопары, из-за своей дешевизны и практически линейному изменению термоэдс. Этот вид термопар ставятся в водонагреватели и другие бытовые приборы с контролем температуры, их повсеместно используют для контроля температуры при плавке металла, с помощью этих термопар контролируется нагрев жала в паяльной станции. Поэтому будет весьма полезно познакомиться с ними поближе.

Термопара это два проводника из разных металлов и имеющих общую точку контакта (спай). В точке этого контакта возникает разность потенциалов. Эта разность потенциалов зовется термоэдс и напрямую зависит от температуры, в которой находится спай. Металлы подбираются таким образом, чтобы зависимость термоэдс от температуры нагрева была наиболее линейна. Это упрощает расчет температуры и сокращает погрешность измерений.

Так широко применяемые хромель-алюмелевые термопары имеют достаточно высокую линейность и стабильность показаний на всем диапазоне измеряемых температур.
Ниже приведен график для хромель-алюмелевых термопар (тип К) показывающий, зависимость возникающей термоэдс от температуры спая (в конце статьи будет ссылка на график с большим разряшением):

Таким образом значение термоэдс достаточно умножить на нужный коэффициент и получить температуру, не заморачиваясь с табличными значениями и аппроксимацией - один коэффициент на весь диапазон измерений. Очень просто и понятно.
Но встает вопрос о подключении термопары к микроконтроллеру. Понятно что если на выходе термопары напряжение, тогда задействуем АЦП, но разность потенциалов на выходе термопары слишком мала, чтобы уловить хоть что-то. Поэтому прежде его нужно увеличить, например, применив операционный усилитель.

Берём стандартную схему неинвертирующего включения операционного усилителя:

Отношение входного и выходного напряжений описывается простой формулой:

Vout /Vin = 1 + (R2/R1)

От значений резисторов обратной связи R1 и R2 зависит коэффициент усиления сигнала. Величину усиления сигнала нужно подбирать с учетом того, что будет использоваться в качестве опорного напряжения.

Допустим опорным будет напряжение питания микроконтроллера 5V. Теперь необходимо определится с диапазоном температур, которые собираемся измерять. Я взял пределом измерения 1000 °C. При этом значении температуры на выходе термопары будет потенциал примерно 41,3мВ. Это значение должно соответствовать напряжению в 5 вольт на входе АЦП. Поэтому операционник должен иметь коэффициент усиления не менее 120. В итоге родилась такая схема:

В загашнике у меня нашлась давно собранная плата с этим операционником, собирал как предусилитель для микрофона, ее я и применил:

Собрал на бредборде такую схему подключения двухстрочного дисплея к микроконтроллеру:

Термопара тоже валялась без дела долгое время - она шла в комплекте с моим мультиметром. Спай закрыт в металлическую гильзу.

Код Bascom-AVR для работы с термопарой:

$regfile = "m8def.dat"
$crystal = 8000000

Dim W As Integer

"подключение двухстрочного дисплея

Config Lcdpin = Pin , Rs = Portb . 0 , E = Portd . 7 , Db4 = Portd . 6 , Db5 = Portd . 5 , Db6 = Portb . 7 , Db7 = Portb . 6
Config Lcd = 16 * 2
Cursor Off
Cls

"считывание значения с АЦП по прерыванию от таймера

Config Timer1 = Timer , Prescale = 64
On Timer1 Acp

"конфигурация АЦП

Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Avcc

Enable Interrupts
Enable Timer1

Do

Cls
Rem Температура:
Lcd "Teјѕepaїypa:"
Lowerline
Lcd W

Waitms 200

Loop

"работа с АЦП

Acp :

Start Adc "запуск АЦП
W = Getadc (1 )
W = W / 1 . 28 "подгоняем замеры под действ. температуру
Return

End

Рассказать в:
Во время очередного похода по просторам Интернета, я попал на форум, на сайте Радиокот, где обсуждалась очень интересная конструкция - Цифровая паяльная станция v2.2. Так как меня не сильно радовали цены на подобные приборы, я решил повторить конструкцию. В результате получилась очень стабильная, простая и функциональная паяльная станция. В качестве контроллера был выбран ATmega8, имеющий встроенные АЦП и ШИМ. Усилитель сигнала термопары на ОУ LM358P. Для такой паяльной станции нужно использовать паяльники с термопарой К-типа, например паяльник фирмы Solomon: SL-ICMC, паял.д/станц.SL-10, 20, 30CMC.

Паяльник имеет керамический нагреватель и встроенную термопару.
Распиновка разъема паяльника: Схема устройства:

Теперь о схеме:


Трансформатор и диодный мост выбирается исходя из напряжения питания и мощности используемого паяльника. У меня это 24 В / 48 W. Для получения +5 В используется линейный стабилизатор 7805. Он обязательно должен иметь радиатор.
На выходе ШИМ (15-я ного МК) - оптопара и тиристор. Радиатор лучше поставить и на тиристор тоже.
Двухцветный светодиод я так и не нашол, я соединил два разных, как показано на схеме. Пищалка со встроенным генератором, используется для озвучивания нажатия кнопок (можно не ставить).
LCD в проекте используется символьный, двухстрочный на 16 символов (WH1602).
Усилитель термопары сделан на микросхеме LM358P, плату нужно экранировать. Резисторы подбирал примерно похожие по номиналу, для нашего случая особая точность не требуется. В крайнем случае, можно подстроить.

Назначение кнопок:

BTN1 (Mem) - переключение температурных режимов, по кругу.
BTN2 (Setup) - вход в режим программирования температурных режимов.
BTN3 (Up) - Увеличение установленной температуры на 1 град.
BTN4 (Down) - Уменьшение установленной температуры на 1 град.

Прошивку контроллера можно осуществить как на внешнем программаторе, так и внутрисхемно. Если МК новый - фьюзы не трогаем. А если нет, то ставим фьюзы на 4 МГц.
Данные EEPROM (так сказать "заводские настройки") восстановить можно. для этого включаем станцию с нажатой кнопкой BTN1 , тогда значения температур примут исходное значение.

Теперь фотосессия:

Отличие в v2.2 и v.2.1, в моем случае, это прошывка.

P.S. Хочу сказать "Спасибо" основателю идеи PavelV, доработке DeNew, помощнику КТ315В (Форум Радиокот).

АРХИВ: Скачать Раздел: