ИЗСЛЕДВАНЕ АНАЛИЗ И УСЪВЪРШЕНСТВАНЕ НА...
TRANSCRIPT
Т Е Х Н И Ч Е С К И У Н И В Е Р С И Т Е Т – С О Ф И Я
ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
Катедра „Електроника”
маг. инж. Петър Василев Сапунджиев
ИЗСЛЕДВАНЕ, АНАЛИЗ И УСЪВЪРШЕНСТВАНЕ
НА СХЕМИ И СИСТЕМИ ЗА ДЪЛГОВРЕМЕННО
ИЗМЕРВАНЕ ФИЗИЧНИ ПАРАМЕТРИ НА
ОКОЛНАТА СРЕДА
АВТОРЕФЕРАТ
На дисертация за присъждане на образователна и научна степен
„ДОКТОР” по научна специалност „Електронизация”
Научни ръководители:
проф. д-р инж. Георги Славчев Михов
доц. д-р инж. Митьо Георгиев Митев
Рецензенти:
доц. д-р инж. Емил Николов Димитров
проф. д-р инж. Никола Вичев Колев
София
2013
2
Дисертационният труд е обсъден на катедрен съвет на катедра “Електроника” на ФЕТТ при
ТУ–София с протокол 1075/24.06.2013 (копието на доклада остана в лабораторията) и е
насрочена за защита пред Научно жури.
Дисертационният труд съдържа 117 страници, 77 фигури, 4 таблици. Състои се от увод,
шест глави, заключение, приноси, списък на публикации по дисертацията, списък с използвана
литература от 99 заглавия. Означенията на формулите, фигурите и таблиците в автореферата
съвпадат с тези от дисертацията.
Докторантът е зачислен в редовна докторантура към катедра “Електроника” при
Технически Университет – София.
Защитата на дисертационния труд ще се състои на 29.10.2013 г. от 17:00 часа в 1434 на
Технически Университет – София.
Материалите по защитата са на разположение в стая 1332а, блок 1, Технически
Университет – София.
Автор: маг. инж. Петър Василев Сапунджиев
Заглавие: “Изследване, анализ и усъвършенстване на схеми и системи за дълговременно
измерване физични параметри на околната среда”
Тираж: 50 бр.
Печатна база на Технически Университет – София
3
АНОТАЦИЯ Дисертационният труд е насочен към приложението на сензори и схеми в системи за
дълговременно измерване (мониторинг). Изследвани са сензори за налягане, влажност,
температура и осветеност, като е акцентирано на проблемите свързани с температурната
стабилност и постигането на висока точност на измерване. Експериментирани са
неконвенционални методи за измерване на слънчева радиация и количество валежи.
Разработени са постановки за калибриране на различни сензори и изследване на
работоспособността на измервателната апаратура. Създадена е експериментална апаратура за
изследвания в полеви условия.
ОБЩА ХАРАКТЕРИСТИКА НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
Актуалност на проблема Продължителното измерване на физични параметри на околната среда позволява да се
увеличи обемът на получаваната информация, а от това и възможността за достоверния ѝ
анализ. Промените на климата в последните десетилетия явно доказват актуалността на тези
изследвания, на които е посветен представения дисертационен труд. Измерването на параметри
на околната среда в отдалечени, трудно достъпни изолирани системи, служи като основа за
откриване на причинно-следствени връзки от човешкото въздействие. Развитието на
електрониката позволява да се реализират оптимизирани схемни решения с цел осигуряване на
висока точност и стабилност при дълговременното измерване на физичните параметри на
околната среда.
Цел на дисертационния труд Основната цел на дисертацията е: изследване, анализ и усъвършенстване на методи,
схемни решения и апаратура за дълговременни измервания на физични параметри на
околната среда, провеждани в необслужваеми зони при ограничени енергийни ресурси.
Задачи на дисертационния труд 1. Изследване възможностите на сензори за налягане, влажност и температура и
оптимизиране на схемните решения и процедури за обработка на данните с оглед осигуряване
на висока точност и стабилност при преобразуването и специализираното им приложение за
дълговременно измерване физични параметри на околната среда.
2. Изследване възможностите на оптични сензори за определяне интензитета на
слънчевата радиация и осветеност.
3. Проучване и изследване на възможностите за измерване на валежи чрез ново прилагане
на известни физични ефекти и методи.
4. Създаване на методи и апаратура за дълговременно регистриране и измерване на
основни физични параметри на средата при ограничено енергообезпечение и в екстремни
условия.
СЪДЪРЖАНИЕ НА ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД
Глава 1. СИСТЕМИ ЗА ДЪЛГОВРЕМЕННО ИЗМЕРВАНЕ ФИЗИЧНИ ПАРАМЕТРИ НА
ОКОЛНАТА СРЕДА (ДИФП)
Разгледани са основни типове сензори и методи за измерване на температура, налягане,
влажност, количество валежи и слънчева радиация като част от системи за мониторинг.
Посочени са техни предимства, недостатъци и области на приложение. Проучени са процедури
и методи за калибриране.
От направения преглед и анализ на методите и средствата за дълговременно измерване
физични параметри на околната среда могат да се направят следните по-важни изводи:
1. Съществува голямо разнообразие от автоматични метеостанции, комплектувани с
прецизни сензори за измерване на основните физични характеристики на околната среда.
Повечето изискват обезпечаване с мрежово захранване. Обикновено цената им е твърде висока.
2. Достъпни са множество сравнително евтини прибори, позволяващи дълговременно
измерване на ограничен набор от параметри на околната среда при захранване от автономен
4
източник. Точността на провежданите измервания обаче е ниска, а получените данни много
често са повлияни от моментната стойност на други съпътстващи параметри.
3. Съхраняване на регистрираните данни обикновено се извършва на външен компютър,
което прави невъзможно дълговременното измерване в полеви условия. Това затруднява
провеждането на ретроспективен анализ при вземане под внимание на условията и данните от
други прибори.
4. Като правило подобни прибори не включват измерване на радиационния гама-фон дори
и с най-прости средства.
5. Сравнително слабо са изучени перспективните възможности за използване на
широкодостъпни сензори на приемлива цена, които биха позволили получаване на достатъчно
представителни данни.
6. При повечето прибори остава открит въпросът с въвеждане на коригиращите
коефициенти след провеждане на калибровка с цел привързване на скалите им, затова
въпросите, свързани с прецизната калибровка се нуждаят от задълбочено проучване, анализ и
усъвършенстване.
7. Изключителна актуалност придобива въпросът за дълговременно измерване и
регистриране на основни физикохимични параметри на околната среда, провеждани в
необслужваеми и зони при ограничени енергийни ресурси.
Глава 2. ИЗМЕРВАНЕ НА МЕТЕОРОЛОГИЧНИ ПАРАМЕТРИ
2.1 Измерване на температура
2.1.1 Температурни сензори с импулсен изход
Температурният сензор SMT160 е „псевдо цифров” – изходният му сигнал представлява
поредица от импулси, като коефициентът на запълване е в пряка зависимост от температурата.
Важно качество на SMT160 е ниската му консумация – около 200µА и сравнително
краткото време за установяване след включване на захранването – по-малко от 1 милисекунда.
Сензорът може да бъде захранен за интервал от порядъка на няколко милисекунди, да се
извърши измерване и отново да бъде изключен.
Фиг. 2.3
илюстрира формата
на сигнала от
сензора, който е
свързан към
измервателната
система чрез
проводник, по-дълъг
от няколко метра
(изследванията са
правени при
дължина 15 – 17
метра). Както се
вижда, фронтовете
на импулсите се удължават неколкократно. Този ефект се дължи на собствените капацитет и
индуктивност на проводниците, формиращи интегрираща верига с изходния импеданс на
сензора, който е около 200Ω. Проблемът до голяма степен се решава от входната верига на CCP
(Capture/Compare/PWM) модула, която представлява тригер с хистерезис, определен от прагове
1 и 2 (фиг. 2.3). Същинският проблем се състои в това, че нарастващият и спадащият фронт се
удължават нееднакво, т.е. ∆T1 ≠ ∆T2. Дори при изкривен сигнал периодът може да се определи
с непроменена точност (фиг. 7): TPERIOD(Dist) = TPERIOD(Undist). В определянето на
продължителността на импулса обаче, се внася грешка ∆TPULSE = TPULSE(Dist) – TPULSE(Undist) = ∆T2 –
∆T1. Изразена в градуси тази грешка може да достигне около 1.5°C.
Фиг. 2.3
Ефекти при разпространение на сигнала по дълъг проводник.
5
Разгледаните сензори с импулсен изход са подходящи за приложения, където приоритетът е
в постигането на максимално опростени схемни решения и ниска консумация. Недостатък на
сензорите е сравнително ниската абсолютна точност на измерване и нейното влошаване при
удължаване на свързващите проводници. Трябва да се обърне внимание, че въпреки ниската
абсолютна точност, грешката от нелинейност на характеристиката в обхвата от -30°C до +100°C,
е само около 0.4°C, което го прави подходящ за приложения, където е по-важно да се определи
някаква относителна промяна на температурата, отколкото конкретната и стойност.
2.1.2 Измерване с резистивни сензори Pt100
Измерването на температура се свежда до измерване на съпротивлението на сензора, за
което има множество разработени схеми. Проблем поражда температурната зависимост на
свързващите проводници. За неутрализиране на тяхното влияние се използват трипроводни и
четирипроводни схеми на свързване. Четирипроводните схеми на свързване имат предимство
при измерване в широк температурен интервал, докато трипроводните схеми дават по-добри
резултати при определяне на температурата в по-тесен интервал. По тази причина тук ще бъде
разгледано само трипроводното свързване.
На фиг. 2.4 е представено трипроводно свързване на температурните сензори с
измервателната система.
На фигурата всеки
проводник е представен
като съответстващото му
съпротивление RW1, RW2 и
RW3. Ако RW1 и RW2 са
равни, както и токовете
през тях, напрежителните
падове върху тях се
компенсират, защото са
приложени в
противоположни посоки в
измервателния контур.
При такъв тип
измервания трябва да се
обърне специално
внимание на използваните операционни усилватели. В конкретното приложение е използван
операционен усилвател AD8554 с входно напрежение на несиметрия 1µV и съответстващ му
температурен коефициент 0.005 µV/°C.
Свързването на сензора в мостова схема дава възможност да се реши още един съществен
проблем, присъщ на аналоговите измервателни системи – нестабилността на опорното
напрежение за аналогово-цифровия преобразувател. Това се постига като измервателната схема
се сведе до ратиометрична конфигурация.
Ако разгледаме резистивния мост на фиг. 2.4 за изходното напрежение на моста VO ще
получим:
( ) ( ) EXC
BRBRBRBR
BRBRBRBREXC
BRBR
BREXC
BRBR
BRO V
RRRR
RRRRV
RR
RV
RR
RV ×
+×+
×−×=×
+−×
+=
4231
3241
42
2
31
1. (2.3)
Ако означим отношението на съпротивленията получено в скобите с KR, коефициента на
усилване на диференциалния усилвател с KA, за изходното напрежение на цялата схема VOUT
получаваме:
AEXCROUT KVKV ××= . (2.4)
Напрежението VOUT се подава на входа на аналогово-цифров преобразувател (АЦП), който
го преобразува в число N. Това число е свързано с входното напрежение чрез следната
зависимост:
Фиг. 2.4
Трипроводна хема за снемане на сигнал от резистивен сензор
Pt100. Резистивният мост е захранен с постоянно напрежение.
6
( )12 −= n
REF
IN
V
VN , (2.5)
където: VIN – входното напрежение подадено на АЦП;
VREF – опорно напрежение на АЦП;
n – разрядност на АЦП.
В разглеждания пример изходното напрежение от схемата на фиг. 1 VOUT се подава като
входно напрежение на АЦП и за N получаваме:
( )12 −××
= n
REF
AEXCR
V
KVKN . (2.6)
Ако напрежението, с което захранваме моста е и опорно напрежение на АЦП, т.е. VEXC =
VREF изразът добива вида:
( )12 −××= nAR KKN . (2.7)
От полученото следва, че при такова схемно решение резултатът от преобразуването не
зависи от нестабилността на опорното напрежение.
Практически съображения при калибриране на измервателен канал с Pt100
Платиниевите резистивни сензори позволяват да се постигне най-висока точност на
измерване в сравнение с термодвойките и полупроводникови аналогови и цифрови сензори.
Същността на този тип сензори налага прилагане калибровъчна процедура на измервателния
канал.
Калибровъчният процес може най-общо да се раздели на 3 стъпки:
- определяне на зависимостта tPt100 = f(RPt100);
- определяне на зависимостта NADC = f(RPt100), където NADC е брой дискрети от
аналогово-цифровия преобразувател на измервателната система;
- определяне на зависимостта tPt100 = f(NADC) и залагането ѝ в софтуера на
измервателната система.
Целта на изследването е да се определят някакви минимални изисквания към
калибровъчната процедура, така че да не се усложнява излишно, но също така да покрива
изискванията за прецизност. Достатъчно е грешките от калибровка да са неколкократно по-
малки от толерансите на разпространените стандартни платиниеви сензори. Според стандарта
EN DIN 60751 за сензори клас „А” те са +/-0.15° + 0.002|t|, а за клас „B” +/-0.3° + 0.005|t|.
Първата стъпка при калибровка на измервателен Pt100 канал е да се определи теоретично
зависимостта tPt100 = f(RPt100), където tPt100 е температурата на сензора, а RPt100 е съпротивлението
му. В стандарта се предоставя зависимостта RPt100= f(tPt100) в табличен или аналитичен вид, от
която чрез апроксимация (или други аналитични методи) се получава необходимата за
калибрирането обратна функция. За температури под 0°C стандартът препоръчва използване на
полином от 3-та степен, а за температури над 0°C, полином от 2-ра степен.
От практическа гледна точка е по-удобно да се използва един полином за целия
температурен обхват, но трябва да се има предвид, че това води до увеличаване на грешката от
апроксимация на реалната характеристика на сензора. Тази грешка е толкова по-малка, колкото
по-тесен е температурният обхват и е добре тя да се оценява за всеки конкретен случай на
приложение – ако не надхвърля някаква приемлива стойност, за опростяване може цялата
характеристика да се апроксимира с един полином от възможно най-ниска степен.
За да се оцени ефективността на апроксимация с полиноми от различна степен е използвана
среда MicrosoftExcell. Въведени са таблични стойности на съпротивлението на сензор Pt100,
след което е определена зависимостта tPt100 = f(RPt100). На фиг. 2.6 е показано каква е грешката в
°C при апроксимацията на характеристиката на Pt100 с полином от 3-та степен и полином от 2-ра
степен за температури от -100°C до +100°C. Обхватът е избран, така че да покрива температури,
които могат да бъдат достигнати при метеорологични измервания. Графиката е получена от
разликите на зададени температури и тяхното преизчисляване с апроксимиращите функции, т.е.
коментираната тук грешка е резултат само от математически операции, които са част от
7
калибровката. Целта е, чрез получените резултати да се прецени кой от двата полинома да бъде
използван при конкретното приложение.
От графиката
може да се
заключи, че за
избрания
температурен
обхват няма
съществена
разлика между
апроксимирането с
полином от 2-ра и
3-та степен. И при
двата полинома
грешката от
апроксимация е
незначителна в
сравнение с други
фактори ограничаващи точността на измерването. Като заключение избираме апроксимиращ
полином от 2-ра степен за целия обхват.
Чрез aпроксимация в средата MicrosoftExcell е получена зависимост tPt100 = f(RPt100).
Калибрирането продължава, като на входа на измервателния канал се задават m на брой
стойности R на съпротивление от измервателния обхват чрез еталонни резистори.Отчитат се m
на брой показания NADC на АЦП. Чрез вече избрания апроксимиращ полином се определят
температурите tPt100 съответстващи на всяка от зададените стойности R. От получените точки
NADC – tPt100 се построява зависимостта tPt100 = f(NADC). Така получената зависимост се
апроксимира с полином, който се залага в софтуера на измервателната система. Тук отново
избираме полином от втора степен, тъй като осигурява достатъчна точност на апроксимация.
От практическа
гледна точка е важно
да се определи какъв е
необходимият брой
точки NADC – tPt100 за
да се постигне
необходимата точност
на апроксимация. За
целта процедурата е
извършена с 3, 5 и 9
точки от
температурния обхват
на измерване. На фиг.
2.8 са представени
резултати от
извършеното
калибриране с
полином от 2-ра степен при трите различни броя точки. Чрез намиране на зависимостта tPt100 =
f(NADC) се отстраняват и грешки присъщи на аналоговата измервателна система като:
постояннотоково отместване, нелинейност на предавателната характеристика на измервателния
мост, нелинейност на АЦП и др.
В заключени можем да обобщим, че в диапазон от около 200°C е подходящо да се
използват апроксимиращи полиноми от 2-ра степен, а за калибриране на измервателния канал са
достатъчни 5 до 10 стойности на съпротивление, разположени равномерно в целия обхват.
-0.05
-0.04
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Температура [°C]
Грешка
от
апроксимация [
°C]
Апроксимация с полином от
2-ра степен
Апроксимация с полином от
3-та степен
Фиг. 2.6
Разлика в °C между зададена температура и такава получена чрез
апроксимация с полиноми от 2-ра и 3-та степен.
-0.03
-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
-50 -25 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250
Температура [°C]
Грешка
[°C
]
3 точки
9 точки
5 точки
Фиг. 2.8
Разлика в °C между зададена температура и преизчислена с полином от 2-
ра степен при различен брой точки използвани за апроксимация.
8
Повишаване на точността на измерване със сензори Pt100 клас “B”
Най-широко разпространените в практиката температурни сензори Pt100 са клас „B” и клас
„A”. Според международните стандарти (например EN DIN 60751), толерансите за сензори клас
„А” са +/-0.15° + 0.002|t|, а за клас „B” +/-0.3° + 0.005|t|, където t е измерваната температура в
градуси по Целзий. Това означава, че при клас „B”, при измерване на температура 50°C,
неточността дължаща се на сензора може да достигне 0.55°C. Ако се направи калибровка в една
точка от измервателния обхват (в 0°C), т.е. да се отстрани началната неточност от +/-0.3°C,
резултатът ще е двойно намаляване на грешката в границите от -60°C до +60°C.
Подходящо за целта е
използването на тройната точка на
водата, тъй като не се изискват
сложна апаратура и специфични
условия за поддържане на
равновесното състояние. Също така
отклонението от +/-0.3°C за
сензорите клас „B” е дефинирано при
температура 0°C, която в рамките на
точността на калибрирането съвпада
с тройната точка на водата (tTwater =
0.0102°C, където tTwater е
температурата на тройната точка на
водата).
На фиг. 2.9 е показана
разработената постановка за
калибриране при тройната точка на
водата. Най-общо представлява
температурна камера с възможност за
регулиране на температурата в
рамките на няколко десетки градуса
под и над 0°C. В камерата се поставя метален съд с дестилирана (химически чиста) вода, в който
е потопен калибрираният сензор.
На фиг. 2.10 е
показан запис на
показанието на
температурен сензор
Pt100 от клас „B”,
подложен на
калибровка
използвайки
постановката от фиг.
2.9.Температурата на
водата преди
поставянето й в
камерата е около
20°C. Започва
равномерно
охлаждане, което зависи от температурата в камерата, обема на водата, топлообменните
свойства на съда и др. Забелязва се, че температурата на водата пада под 0°C без да започне
заледяване – водата е в преохладено състояние. При достигане на определена отрицателна
температура, която съответства на енергийно състояние, при което може да се извърши
фазовият преход, се пораждат кристализационни центрове в целия обем на водата.
Температурата рязко нараства до 0.01°C (за време от порядъка на единици секунди) и се
установява равновесното състояние на тройната точка. В това състояние обемът на водата е
Фиг. 2.9
Постановка за калибриране на температурни сензори
при тройна точка на водата
-5
0
5
10
15
20
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Време [min]
Показание на
сензора
[°C
]
преохладено състояние
равновесно състояние
Фиг. 2.10
Получени резултати от процеса на калибриране на сензор Pt100
9
изпълнен с „рехав” лед. При по-нататъшно охлаждане, температурата на системата вода - лед не
се променя, а продължава изграждането на кристали и ледът се уплътнява. Този процес
продължава докато не се заледи целият обем вода. Температурата по време на процеса е
изключително стабилна (в показанието на АЦП дори не се забелязват колебания от +/-1LSB) и
чрез нея се определя началната неточност на температурния сензор. Отчетената стойност се
залага в софтуера на измервателната система като корекция за конкретния температурен канал в
комбинация със сензора.
В заключение трябва да се отбележи, че описаният метод за калибриране е сравнително
прост и изключително надежден. Необходимостта от прилагането му е въпрос на преценка за
всеки конкретен случай. Чрез описаната калибровка, точността на измерване с конкретния
сензора е подобрена с около 0.19°C.
2.2 Измерване на атмосферно налягане
2.2.1 Мостов сензор за налягане SPD015A
На фиг. 2.11 е представена вътрешната структура на
сензора. Съпротивленията на четирите резистора при нулево
налягане (P = P0), са равни, т.е. R1 = R2 = R3 = R4 = Rn. При
прилагане на външно налягане стойностите на резисторите се
променят с ∆R, както е показано на фигурата. Стойностите на
резисторите могат да бъдат представени така:
PKRR Pn ⋅⋅=∆ , (2.8)
( )PKRRRRR Pnn ⋅−=∆−== 141 , (2.9)
( )PKRRRRR Pnn ⋅+=∆+== 132 , (2.10)
където:
- P е налягането, приложено върху сензора;
- Rn e номиналната стойност на резисторите при P = P0;
- KP е коефициентът на чувствителност на резисторите
спрямо налягането.
Параметрите Rn и KP са температурно зависими, като на Rn
се дължи грешката от отместване, а на KP се дължи грешката от
промяна на обхвата на изменение на изходната величина. Ако
означим стойността на резисторите при условно приети начални температура и налягане t=t0 и
P=P0 с R0, температурния коефициент на резисторите с σR (temperature coefficient of input
resistance), температурния коефициент на KP с σK (temperature coefficient of span), и с
приближение приемем, че те са линейни спрямо температурата и еднакви за четирите
съпротивления, можем да представим стойностите на резисторите така:
( )tRR Rn ∆⋅+= σ10 , (2.11)
( )tKK KP ∆⋅+= σ10 , (2.12)
[ ][ ]PtKtRRR KPR )1(11 0041 ∆⋅++∆⋅+== σσ , (2.13)
[ ][ ]PtKtRRR KPR )1(11 0042 ∆⋅+−∆⋅+== σσ . (2.14)
Изходното напрежение на симетричен мост захранен с източник на напрежение е свързано
с промяната на съпротивлението чрез зависимостта:
∆=
n
BRoR
RVV , (2.15)
където:
- Vo е напрежението в измервателния диагонал на моста, т.е. изходното напрежение;
- VBR е напрежението приложено в захранващия диагонал на моста, т.е. захранващото
напрежение на моста;
- ∆R е промяната на съпротивлението на резистивните елементи;
- Rn е съпротивлението на резистивните елементи в равновесно състояние (в
конкретния случай при P = P0).
Фиг. 2.11
Вътрешна структура на
сензор за налягане SPD015A
10
Ако се заместят изведените зависимости в (2.15), за изходното напрежение на моста
захранен с постоянно напрежение се получава:
( ) PtKVR
PKRVV KPBR
n
PnBRo ⋅∆⋅+⋅=
⋅⋅⋅= σ10 . (2.16)
Температурната зависимост изразена в (2.16) може да бъде компенсирана чрез подходящо
регулиране на захранващото напрежение на моста VBR. За целта VBR се подава от източник на
напрежение, който е линейно управляван от температурата. Напрежението VBR може да бъде
представено така:
VVV BRBR ∆+= 0 , (2.17)
tVV BR ∆⋅⋅=∆ λ0 , (2.18)
( )tVV BRBR ∆⋅+= λ10 , (2.19)
където:
- VBR0 е захранващото напрежение на моста при някаква условно приета начална
температура t0 (например 25°C);
- λ е коефициентът на чувствителност на VBR спрямо температурата.
След заместване на (2.19) в (2.15), за изходното напрежение на моста се получава:
( ) ( ) PtKtVV KPBRo ⋅∆⋅+⋅∆⋅+= σλ 11 00. (2.20)
Ако коефициентът λ се подбере така че:
Kσλ −= , (2.21)
след разкриване на скобите в (2.20), уравнението добива вида:
( )( ) PtKVV KPBRo ⋅∆⋅−⋅⋅=2
00 1 σ . (2.22)
Според информацията от производителя на изследвания сензор, температурната
зависимост, която в уравнение (2.22) е изразена с σK.∆t е от порядъка на 0.15 - 0.2 за целия
работен температурен обхват. Тогава:
( ) 1.2
<<∆tKσ , (2.23)
( ) 1.12
≈∆− tKσ (2.24)
и израз (2.22) добива вида:
PKVV PBRo ⋅⋅≈ 00 . (2.25)
От израз (2.25) следва, че с приетите по-горе приближения, температурната зависимост на
сензора може да се компенсира с обратно въздействие по линеен закон. На практика това може
да се реализира като изчислителна (софтуерна) компенсация или като хардуерно изпълнение. В
следващите точки са описани изследваните методи за компенсация и резултатите получени след
прилагането им.
2.2.2 Температурни ефекти в сензора
y = 0.0098x2 - 1.5053x
+ 29.048
R2 = 0.9999
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-10 10 30 50 70
Температура [°C]
Отклонение [
hP
a]
Фиг. 2.12
Постановка за изследване на температурните ефекти в
сензор SPD015A
Фиг. 2.13
Температурна зависимост на
изходния сигнал на сензора
11
За целите на изследването на температурните ефекти проявяващи се в сензора за налягане
е използвана постановката от фиг. 2.12.
В непосредствена близост до сензора за налягане се монтира температурен сензор. На фиг.
2.12 са показани две изследвани конфигурации, като след няколко опита беше установено, че
няма съществена разлика в определянето на температурата при двата случая.
Целта на изследването е пряко да се установи в каква степен температурата влияе на
изходния сигнал на сензора. От АЦП получаваме число N, което съответства на изходното
напрежение на усилвател А1. Изменението на резултата N може да се представи като сума от
измененията, които се дължат на зависимостта от налягането и температурата:
tSPSN tP ⋅+⋅= , (2.26)
където:
- N е показанието на АЦП;
- SP e зависимостта на числото N от налягането P;
- P е приложеното налягане;
- St e зависимостта на числото N от температурата t;
- t е температурата на сензора.
Ако се направи измерване при постоянно налягане P = const., отчетеното изменение ∆N =
Ni – Ni-1 ще се дължи единствено на изменението на температурата на сензора ∆t = ti – ti–1:
( ) tSttStSconstStSconstSNNN tiititPitPii ∆⋅=−=⋅−⋅−⋅+⋅=−=∆ −−− 111 . (2.27)
Зависимостта St може да се определи от получените данни за ∆N и ∆t:
t
NSt
∆
∆= . (2.28)
Постоянно налягане може да се осигури ако сензорът се постави в херметически затворен
недеформируем съд с постоянна температура. Тъй като в случая тези условия не могат да бъдат
постигнати, измерванията се правят в нормални условия за достатъчно кратко време, така че
налягането да не се промени съществено.
На фиг. 2.13 е представена експериментално получената зависимост ∆N =f(∆t). За по-добра
нагледност показанието N от АЦП е приведено към хектопаскали, което не променя
разсъжденията и изводите, тъй като преобразуването в хектопаскали става чрез мащабиращ
коефициент, зависещ от усилването на усилвател A1, опорното напрежение и разредността на
АЦП. От получените резултати се вижда температурна зависимост от около 1hPa/°C, което
прави невъзможно използването на сензора без някаква процедура за отстраняване на
температурното влияние.
2.2.3 Компенсиране на температурната зависимост на изходния сигнал на сензор за
налягане SPD015A чрез външен температурен сензор
Направени са две апроксимации на зависимостта ∆N =f(∆t) – с полином от първа степен и с
полином от втора степен. От получените уравнения може да се определи зависимостта St-approx,
която отговаря на коефициентите пред x (вж. уравнение (2.28)).
Коригирането на данните се свежда до едновременно измерване на температурата и на
изходното напрежение на сензора за налягане. Чрез вече определената зависимост St-approx, за
всяка двойка отчетени Ni и ti се изчислява коригираща стойност Ci, която се изважда от Ni и се
получава коригираната стойност Ni-corr:
iapproxti tSC ⋅= − , (2.29)
iPiapproxtitiPiicorri PStStSPSCNN ⋅≈⋅−⋅+⋅=−= −− . (2.30)
Ефективността на корекцията зависи от точността, с която се определя St-approx, т.е. от
точността на апроксимацията представена на фиг. 2.13.
На фиг. 2.14 са представени резултати от коригиране с апроксимация от първи и от втори
ред. След корекцията от първи ред, максималното отклонение на показанието на сензора е
+3.75/-2.56 hPa, за температурния обхват от 0°C до +50°C. С корекция от втори ред
максималното отклонение е +0.19/-0.21 hPa.
12
Според получените
резултати неопределеността
при измерване на налягане със
сензор SPD015A дължаща се на
температурни ефекти в обхвата
от 0°C до +50°C е както следва:
- 50.9 hPa без температурна
компенсация;
- 6.31 hPa с температурна
компенсация с полином от
1-ви ред;
- 0.4 hPa с температурна
компенсация с полином от
2-ри ред.
Изборът на полином за
компенсация зависи от
температурния обхват, в който
ще се използва сензорът и от необходимата точност на измерване. За много приложения в тесен
температурен обхват компенсацията от 1-ви ред е напълно достатъчна.
2.2.4 Компенсиране на температурната зависимост на изходния сигнал на сензор за
налягане SPD015A чрез пълното съпротивление на моста
Чрез опитната постановка от фиг. 2.15(а) е изследван друг подход за изчислителна
компенсация. Целта е за определяне на температурата да се използва температурната
зависимост на самия сензор SPD015A. Измервателният мост се захранва с генератор на ток IDC,
a напрежението върху него, което е пропорционално на еквивалентното му (общо)
съпротивление, съответно и на температурата, се измерва от АЦП на регистриращата система.
При такова измерване може да се определи и доколко температурата на измервателния мост се
различава от тази на температурния сензор при бързи промени (става дума за конструкцията от
фиг. 2.12).
Temperature
sensor
A1
A2
IDC
SPD015A
A3
Data
LoggerA
D
C
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
12001450
17001950
22002450
2700
Показание от АЦП
Отклонение [
hP
a]
Фиг. 2.15(а)
Постановка за компенсация чрез промяната на
пълното съпротивление на моста
Фиг. 2.15(б)
Температурна зависимост на
показанието за налягане отнесена към
екв. съпротивление на сензора в отн. ед.
На фиг. 2.15(б) е показана експериментално получената температурна зависимост на
показание-то за налягане отнесена към еквивалентното съпротивление на сензора.
Съпротивлението е представено в относителни единици (брой дискрети от АЦП), тъй като за
целите на компенсацията не е необходима стойността в омове или привързване към градуси по
Целзий. Необходимо е да се определи някакво относително отклонение на показанието за
налягане в зависимост от показанието на АЦП отговарящо на съпротивлението на резистивния
мост. Процедурата по компенсирането е аналогична на описаната в предишната точка.
Основното предимството на описания принцип за компенсация е, че не се използва външен
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
0 10 20 30 40 50
Температура [°C]
Отклонение
[hP
a]
Коригирани данни с полином
от 2-ра степен
Коригирани данни с
полином от 1-ва степен
Фиг. 2.14
Резултати от компенсиране на температурната
зависимост на изходния сигнал на SPD015A
13
температурен сензор, а на практика дестабилизиращите ефекти в резистивния мост дават
информация за промяната на температурата.
На фиг. 2.16 са представени резултати от коригиране с апроксимация от първи, втори и
трети ред.
При този принцип на
компенсация
неопределеността на
измерването в обхвата от 0°C
до +50°C са следните: 50.9
hPa без температурна
компенсация; 10.26 hPa с
температурна компенсация с
полином от 1-ви ред; 2.08 hPa
с температурна компенсация
с полином от 2-ри ред; 0.69
hPa с температурна
компенсация с полином от 3-
ти ред.
Резултатите показват, че
за да се постигне
задоволителна точност на
измерването е необходимо за
апроксимиране на
температурната зависимост да се използва полином от поне 3-та степен.
2.2.5 Компенсиране на температурната зависимост на изходния сигнал на сензор за
налягане SPD015A чрез регулиране на захранването му
Схемната компенсация на температурното влияние е реализирана с постановката от фиг.
2.18. Сензорът за налягане се захранва с управляем източник на напрежение. Управлението се
извършва чрез изходното напрежение на аналогов температурен сензор, като по този начин
захранващото напрежение на сензора е пропорционално на температурата. При подходяща
настройка на коефициента на пропорционалност температурната зависимост на SPD015A може
да бъде отстранена чрез изменението на захранващото напрежение.
Коефициентът на
пропорционалност може
да бъде изчислен като се
вземе предвид
изследваната зависимост
St = ∆N/∆t, изходното
напрежение на
температурния сензор Uo
= f(t) и усилването на
усилвател A2. След
провеждане на няколко
експеримента беше
установено, че поради
толеранси на изброените
параметри, чрез
изчисление на
коефициента не може да се постигне висока ефективност на компенсацията. Необходимо е
настройката на компенсиращата схема да се извърши на поне две итерации, като при всяка
сензорът се подлага на температурни промени и по резултатите се оценява постигнатата
ефективност. Тази процедура значително усложнява прилагането на метода, което е основният
му недостатък.
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 10 20 30 40 50
Температура [°C]Отклонение
[hP
a]
Коригирани данни с
полином от 3-та
степен
Коригирани данни с
полином от 2-ра
степен
Коригирани данни с
полином от 1-ва степен
Фиг. 2.16
Резултати от компенсиране на температурната зависимост
на изходния сигнал на SPD015A чрез еквивалентното му
съпротивление
VDC
SPD015A
Temperature
sensorA2
Uo = f(t)
A1
Data
LoggerA
D
C
Фиг. 2.18
Схемна компенсация на температурната зависимост на SPD015A
14
Резултатите от проведените изследвания са:
- чрез изследвания метод на компенсация е постигната неопределеност на измерването
от около 1.4 hPa / 25°C;
- при бързи промени на температурата се проявяват ефекти на неефективна
компенсация;
- методът изисква сравнително сложна настройка на компенсиращата схема.
2.2.6 Изследване на компенсиран сензор за налягане с аналогов изход MPX6115A
MPXA6115A е пиезорезистивен силициев сензор за налягане. Сензорът е температурно
компенсиран, което до голяма степен опростява употребата му. Вътрешните усилвателни
стъпала формират изходния сигнал в обхват от 0.2V до 4.7V – такъв изходен сигнал в много
случаи няма нужда от допълнително усилване и може да се подаде директно към входа на АЦП.
При изследването на сензора е установено влиянието на температурата върху изходния му
сигнал. На фиг. 2.27 е показано изменението на изходния сигнал при постоянно налягане, и
промяна на температурата с 40°C. Изменението от около 1hPa/10°C е многократно по-малко от
това, което би се получило ако в сензора не е извършена компенсация, но все пак не осигурява
необходимата точност, която изисква приложението му в проектираната измервателната
система.
Това може да се
коригира чрез опростяване
на температурната
зависимост до линейна и
залагането й в софтуера на
микроконтролера. На фиг.
2.27 ясно се вижда, че
функция от по-висок ред
(например втори ред) би
описала по-точно
зависимостта, но
резултатите постигнати с
линейна апроксимация
свеждат отклонението на
изходния сигнал до около 0,5hPa за целия диапазон на калибриране, който в случая е 40°C.
2.3 Измерване на относителната влажност на въздуха
2.3.1 Психрометър
Психрометърът основно се състои от два термометъра разположени в непосредствена
близост, като повърхността на единия, наричан мокър или влажен термометър, е покрита с
тънък слой вода. Другият е изложен на околния въздух и се нарича сух термометър. В следствие
на изпарението на водата от повърхността на мокрия термометър, температурата измерена от
него е по-ниска от тази на сухия. Разликата между двете температури е мярка за влажността на
въздуха – колкото по-ниска е околната влажност, толкова по-интензивно е изпарението на
водата и следователно по-голяма разликата между двете температури. Стойността на
влажността се определя чрез психрометрична формула. Описаният метод е много по-надежден в
сравнение с други хигрометри, защото разчита на температурни сензори вместо на капацитивни
или резистивни сензори за влажност.
Проектираният аспирационен психрометър (фиг. 2.28) се състои от два температурни
сензора Pt100 разположени хоризонтално в обема на цилиндричен корпус с вентилационни
отвори в долната му част. В горната част е монтиран електрически вентилатор, който осигурява
движението на въздух с определена скорост покрай термометрите. За да се ограничи влиянието
на външното топлинно лъчение психрометърът е покрит с термоизолационен материал, който от
своя страна е покрит с метална отразяваща повърхност. Мокрият термометър е покрит с
текстилен ръкав, който, чрез фитил потопен в резервоар, поддържа постоянен и равномерен
воден слой. Задължително е да се използва дестилирана вода.
y = 0.1019x - 2.4764
R2 = 0.9927
-1.5
-0.5
0.5
1.5
2.5
3.5
10 20 30 40 50 60
Температура [°C]
Отклонение
[hP
a]
некоригирани данни
коригирани данни
Фиг. 2.27
Температурна зависимост на сензор за налягане MPX6115A
15
Температурните сензори са
свързани с измервателната система по
трипроводна схема. Поради широкия
диапазон от приемлива скорост на
обдухващия въздух, тя може да бъде
настроена просто като се увеличава
скоростта на вентилатора, докато
показанието на психрометъра престане
да се променя при условие, че
влажността остава постоянна.
Важна част от проектирането на
устройството са уравненията, чрез които
се изчисляват параметрите свързани с
влажността. Използвани са уравнения,
официално приети от WMO (World
Meteorological Organisation) през 1990г и
осигуряват достатъчна точност при
нормални метеорологични приложения.
Проектираният психрометър е
изследван в калибровъчна камера, като е
използван метод с фиксирани стойности на влажността. Той се основава на химически системи в
равновесие, което позволява да се поддържа известна и постоянна влажност в затворен обем.
Тези системи използват разтвори в равновесие със собствените си пари при наличието на въздух
при атмосферно налягане. При дадените условия въздухът в затворения обем се характеризира с
влажност, зависима от температурата на използвания разтвор. Тази стойност е повтаряема и
възпроизведима и може да се използва за целите на калибровката.
Калибровъчната камера е
показана на фиг. 2.29.
Представлява термоизолирана
камера с капак (или вратичка)
за достъп и уплътнен отвор за
кабелите, свързващи
изследваното устройство с
външна система за събиране на
данни. Наситеният разтвор се
слага в подвижна тавичка на
дъното на камерата.
Изследваното устройство се
слага на поддържаща решетка
над разтвора. Температурата в
камерата се регулира от
микроконтролерна система,
свързана към нагревател и
охладител.
За конкретния експеримент е използван разтвор на натриев хлорид, основно заради
достъпността и температурната му стабилност. Температурата е поддържана между 25°C и
30°C, където равновесната влажност се променя от 75.29% до 75.09%. Такава промяна е
незначителна за проведения експеримент.
Данните, представени на фиг.2.30 са получени около 24 часа след затваряне на камерата.
Показанията на хигрометъра са 75.2 +/-0.25% относителна влажност при 27°C. Резултатите
показват много добра точност и сходимост в изследваната част от измервателния обхват. Следва
да се отбележи, че е използван NaCl с чистота 99.8%. Очаква се, че при използване на по-чист
NaCl точността на привързване на резултатите ще се подобри.
Фиг. 2.28
Конструкция на разработения психрометър
Фиг. 2.29
Камера за калибриране с наситени разтвори
16
Изследването на
психрометъра показва, че
е особено подходящ за
извършване на
сравнителни измервания
и калибриране на сензори
за влажност. Чрез него се
постига точност на
измерване, която е
значително по-висока от
постижимата с
капацитивни, резистивни
и цифрови сензори.
Прилагането на
калибровъчна процедура
е наложително при
употребата на капацитивни и резистивни сензори, поради присъщата им ниска начална точност.
2.3.2 Капацитивен сензор за влажност SMTH10
Сензорът за влажност
SMTH10 на практика е
кондензатор, съставен от
основна плоча, активен
полимерен диелектрик и
покриваща плоча,
представляваща
водопропусклив слой
платина. Капацитетът на
кондензатора нараства при
абсорбиране на водни
молекули в диелектрика
Схемата за измерване на
капацитета на сензора
представлява автогенератор
реализиран с CMOS таймер NE7555, като изходната честота е зависима от капацитета на
сензора. Генерираният сигнал се подава на броячния вход на микроконтролера и се отчита
времеинтервал, за който са постъпили 200 импулса. Времеинтервалът се определя от числото
NCOUNTER получено в 16 битов вътрешен таймер работещ в свободен броячен режим с период на
нарастване 200 ns.
Поради характера на
сензора и присъщите му големи
начални неточност и
производствени толеранси, при
измерване не се търси
стойността на капацитета му, а
директно зависимостта
NCOUNTER = f(RH). За целта е
направено сравнително
измерване със SMTH10 и
психрометричния хигрометър в
пригодена за целта камера.
Резултатите са представени на
фиг. 2.33. Периодът на
72
73
74
75
76
77
78
79
1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30
Време [часове]
Относителна
влажност
[%
]
22
23
24
25
26
27
28
29
Температура
[°C
]
Влажност
Температура
Фиг.2.30
Резултати от калибриране на психрометъра
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
00:00:00 01:12:00 02:24:00 03:36:00 04:48:00
Време [часове]
Показание от
психрометър
[%
RH
]
36500
37500
38500
39500
40500
41500
Показание от
SM
TH
10
[отн. ед
.]Психрометър
Сензор SMTH10
Фиг. 2.33
Резултати от сравнително измерване с психрометричен
хигрометър и сензор SMTH10
y = 0.022756x - 804.112127
R2 = 0.999133
0
20
40
60
80
100
36000 37000 38000 39000 40000
Показание от SMTH10 [отн. ед.]
Показание от
психрометър
[%
RH
]
Фиг. 2.34
Привързване на показанията на сензор SMTH10 с тези на
психрометричния хигрометър
17
измерването е около пет часа, а промяната на влажността е в интервала от 45% до 80%.
Оградените с пунктирана линия характерни области са умишлено създадени в началото и в края
на периода, за да се привържат показанията, които не съвпадат във времето поради различни
времеконстанти на двата метода и други особености на регистриращата система.
Привързване на показанията от сензора SMTH10 с тези от психрометричния хигрометър е
показано на фиг. 2.34. Чрез линейна апроксимация е получена зависимостта NCOUNTER = f(RH),
която при необходимост може да се заложи в софтуера на измервателната система.
След калибрирането, капацитивният сензор е използван в експериментална система за
дълговременно измерване
2.4 Постигнати по-съществени резултати в Глава 2
1. Аналитично и експериментално е изследвано влиянието на дължината на свързващите
проводници за температурни сензори с импулсен изход тип SMT160 върху точността на
измерване. Показано е, че вследствие удължаване фронтовете на импулсите приведената грешка
може да превиши 1.5°C.
2. Изследвани са източниците на грешки при измерване на температура с терморезистори
Pt100. Показано е влиянието на напрежението на несиметрия на входния усилвател върху
точността на измерване. Аналитично е изследвано влиянието на степента на апроксимиращия
полином върху точността на привързване на скалата. Предложена е процедура за повишаване
точността на калибровката за Pt100 тип „В”, при привързване само към една точка (фазовия
преход на замръзване на водата).
3. Проведени са изследвания за температурна стабилност на сензори за налягане тип
SPD015A. Предложени са схемотехнични и алгоритмични решения, които подобряват
температурната нестабилност на сензора и дават възможност същият да бъде използван за
определяне на барометричното налягане.
4. Изследвана е температурната зависимост на температурно компенсиран сензор за
налягане MPX6115A. Установено е, че в изходния сигнал има недокомпенсирана термозависима
съставка. Предложена е методика за премахването й чрез измерване на температурата на
сензора и прилагане на подходяща изчислителна процедура.
5. Извършени са изследвания за определяне възможностите на психрометричния метод за
определяне относителната влажност на въздуха при използване на прецизно калибрирани
терморезистори Pt100. Извършено е калибриране чрез използване на NaCl.
6. Изследвани са възможностите на капацитивен сензор за влажност тип SMTH10,
предложена е схема за снемане на сигнала. Извършени са сравнителни измервания с двата
хигрометъра с цел привързване на скалата на капацитивния сензор.
Глава 3. ИЗМЕРВАНЕ НА ИНТЕНЗИТЕТА НА СЛЪНЧЕВАТА РАДИАЦИЯ
При използване на полупроводникови фотодиоди или фототранзистори като сензори за
фотонни лъчения, стремежът е да се приложи такава схема на снемане на сигнала, при която
изходният сигнал максимално точно и в широк динамичен диапазон да описва входната
физична величина - поток на лъчението, мощност на потока, енергия или пр.
Интерес представлява случаят, когато условията на снемане на сигнала (напр. формиращата
RC-верига) се променят динамично в процеса на измерването. Тогава е възможно да бъдат
дефинирани критерии, по които да се разпознае моментът на достигане на оптималните условия
за определяне стойността на измервания параметър. Това би позволило да се повиши
динамичния обхват и/или точността на измерването.
Цел на конкретното изследване е да се уточнят условията за измерване при прилагане на
принципа за динамична промяна на условията за формиране на сигнала в случая на измерване
на мощността на бавно променящо се фотонно лъчение – в частност на интензитета на
слънчевата радиация.
3.1 Измерване с динамично формиране на сигнала
За прилагане на принципа на динамичното формиране на сигнала е необходимо да бъдат
налице следните предпоставки:
18
- входни формирователи, позволяващи промяна на параметрите на схемата в процеса на
измерване;
- система за управление на параметрите в процеса на измерване; - методика за обработване на получените резултати.
3.1.1 Структура, последователност на измерване, обработка на данните.
Снемането на сигнала от фотосензора се извършва по два канала - напрежителен и токов,
както е показано на фиг. 3.1.
Усилвателят в напрежителния канал е
необходимо да има високо входно съпротивление,
а този в токовия канал е трансимпендансен.
Ролята на товарен резистор се изпълнява от
полевия транзистор VT1, чието съпротивление на
канала се изменя чрез промяна управляващото
напрежение на гейта.
За реализиране на измерването системата
трябва да включва в структурата си освен входния
преобразувател и аналогово-цифров и цифрово-
аналогов преобразуватели (фиг. 3.2). Данните от
измерването е необходимо да бъдат обработени в
изчислителния блок и да бъдат съхранени във
вградената памет. Необходим е и подходящ
интерфейс за прехвърляне на данните към персонален компютър или горно йерархично ниво на
системата за събиране на данни.
Едно измерване
включва набор от
двойки стойности за
напрежението върху
фотодиода при
различни стойности
на тока през него.
Това се постига чрез
постъпателно
увеличаване на
напрежението на
гейта на полевия
транзистор, което води до модулиране на стойността на товарния резистор, включен в товарната
верига на фотодиода. При подходящ подбор на полевия се постига изменение на режима на
снемане на сигнала от отворена верига до работа като генератор на ток.
В разглеждания случай е извършено умножение на двойките величини, получени при всяко
единично измерване. Тъй като едната представлява напрежението, приложено върху товара, а
другата - токът през него, то получената величина се явява мощността, която се генерира от
фотодиода вследствие на фотонния поток и се отделя върху полевия транзистор. Като се
приложат и други зависимости за електронните вериги, може да се определят и други параметри
- пълно съпротивление на товара и на генератора, диференциално съпротивление на фотодиода
в определен момент и пр.
Еквивалентната схема на детекторната система и товарния полеви транзистор има вида,
показан на фиг. 3.3.
Тук ΦSUN e мощността, пренасяна от фотонния поток, измерена във Wm-2
, а SEFF e
ефективната площ на сензора (фотодиода). В точката от измерването, при която отдадената
мощност достигне максимума си, настъпва пълно съгласуване генератор-товар (фотодиод –
полеви транзистор). Тогава вътрешното съпротивление на генератора RPD се изравнява със
съпротивлението на канала на полевия транзистор RCh.
KU
KIU=f(IPD)
U=f(UPD)
U=k.T
PD
Входен блок
Фиг. 3.1
Снемане на сигнала от сензора
Фиг. 3.2
Структура на измервателната система
19
Като се вземе предвид, че при
равенство на RPD и RCh, US = 2URCh и
за баланса на мощностите на входа
(от фотопотока) и изхода на
фотодиода може да се запише (1):
EFFSUNEPDPD SKIU ⋅Φ⋅=⋅2 (3.1)
Коефициентът KE има смисъл
на коефициент на полезно действие
на фотодиода, разглеждан като
преобразувател на енергията на
фотонния поток в електрическа енергия.
3.1.2 Провеждане на експеримента
За проверка верността на гореизложените хипотези е изградена триканална
експериментална система.
В два от каналите се използват 6-елементни фотодиоди тип 2Ф1006 с площ на всеки от
сегментите 10,3 mm2. В третия канал е използван PIN фотодиод тип BPW34 с обща площ 7,5
mm2. Изборът и обусловен от голямата (и известна) площ на фотоприемниците, както и от
факта, че липсват оптични елементи, които да коригират тяхната насоченост.
Общата конфигурация на
постановката е показана на
фиг. 3.5 Аналогово-цифровата
подсистема е конфигурирана за
провеждане на измерване по
всеки от 6-те канала на
интервал 6,4 ms, като данните
от 16 измервания се осредняват
и се предават към
управляващия компютър.
Същевременно от него на всеки 102 ms се изпраща команда за промяна на стойността на
напрежението от цифрово-аналоговия преобразувател на DAQ. Така всяко измерване се
провежда при различна стойност на товарния ток, като за всеки сензор се записват по 512
двойки стойности за тока и напрежението.
3.1.3 Експериментални резултати
На фиг. 3.6 са представени като времедиаграма данните, снети при едно измерване от първи
сензор (2Ф1006). Вижда се, че моментът за отдаване на пълна мощност е много добре различим
и може да се отдели и използва при по-нататъшната обработка на данните.
Интерес представлява зависимостта на напрежението върху фотоприемника от товарния
ток - волтамперната характеристика на прибора. Тя е представена на фиг. 3.7 за сензор1
(2Ф1006) за 8 различни стойности на мощността на фотонното излъчване - измерванията са
провеждани през интервал от 30 минути. Вижда се, че през целия цикъл на измерване
фотодиода работи в ІV квадрант на І-V характеристиката си, като товарното съпротивление се
променя почти от 0 до безкрайност. Данните дават възможност да се направи още един извод - в
случай на използване на по-проста измервателна схема, по-удачно е да се използва токовия
режим на сензора.
Получените данни са съпоставени с други, получени по същото време от автоматичната
метеостанция, базирана в Астрономическата обсерватория в Борисовата градина в София
(координати N 42O 41`, E 023
O 35` и надморска височина H 572 m.).
Данните от метеостанцията, сензор1 (2Ф1006) и сензор 3 (PIN фотодиод BPW34) са
представени на фиг. 3.8. Разликата в данните би могла да се обясни с голямата разстояние
между двете точки на измерване - повече от 200 км. При по-детайлно разглеждане на фиг. 3.8 се
вижда, че формата на кривата от двата сензора от 10 до 15 часа е променена. Като се отчетат и
Фиг. 3.3
Еквивалентна схема на сензора и товарната верига
Входни усилватели
6 канална DAQ
Фиг. 3.5
Експериментална постановка
20
напреженията на сензорите за това време при малък товарен ток от фиг. 3.7 може да се направи
извода, че различията се дължат на подгряването им.
При проведените измервания не
е извършвана корекция за
деклинацията на Слънцетo, поради
което резултатите са съпоставими за
хоризонтални участъци. Като се
вземе под внимание момента от
време на провеждане на измерването,
както и датата и географските
координати, резултатите могат да
бъдат преизчислени за действителния
фотонен поток, получаван от
Слънцето.
Получените резултати показват,
че предложеният метод за снемане и
обработка на данните от фотосензори
дава възможност да бъде създадена
опростена система за измерване на
слънчевата радиация. Ниското
енергопотребление и цена на такава
система позволява тя да бъде
използвана за дълговременен
мониторинг в отдалечени и
необслужваеми райони.
Точността, която се получава, е
от порядъка на ±5%. Тя може да се
повиши, ако се вземат мерки за
термостатиране на детекторната
система. Поддържането на постоянна
по-висока температура на сензорите
(от порядъка на 45 - 50 оС) може да се
постигне с незначително
усложняване на схемотехничната
част. Следва да се отбележи, че това
ще бъде за сметка на по-високо
електропотребление, което може да
направи метода неприложим в
случаите, където има ограничения по
отношение на консумацията от
токозахранващия източник.
Получените експериментални
резултати потвърждават хипотезата,
че мощността на фотонното
излъчване на слънцето може да бъде
измерена чрез фотодиоди, работещи
в режим на динамичната промяна на
условията за снемане на сигнала. Предложеният принцип може да се разшири и да бъде
използван и в други области, давайки възможност да се повиши точността на измерване или да
се опростят средствата, с които могат да се измерват определени физични величини. Недостатък
на метода е ограниченият спектрален диапазон, присъщ на силициевите полупроводникови
сензори за осветеност (от 300 nm до 1200 nm).
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
1 129 257 385
UD
[V
], P
L [
mW
]
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
2.4
ID [
mA
]
U_S1 V
P_S1 mW
I_S1 mA
Фиг. 3.6
Резултати от измерване с 2Ф1006
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
UD [V]
ID [
mA
]
07:10
07:40
08:10
08:40
09:10
09:40
10:10
10:40
11:10
Фиг. 3.7
Семейство I-V характеристики при различна
осветеност
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
07:00 09:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00
P [
W/m
2]
AOS
2Ф1006
BPW34
Фиг. 3.7
Данни от сравнително измерване
21
3.2 Постигнати по-съществени резултати в Глава 3
1. Изследвана е възможността за измерване на интензитет на слънчевата радиация чрез използване на широкодостъпни оптични сензори.
2. Предложена е методика за динамично формиране и измерване на сигнала от фотодиоди,
позволяващи получаване на характеристиката на прибора в зависимост от мощността на
експозираното лъчение. Чрез изчислителна процедура се определя оптималната работна точка, в
която се получава максимум на отдаваната мощност от сензора.
3. Синтезирана и експериментирана е оригинална схема за снемане на заряда от сензора с
прилагане на предложената методика.
4. Приведени са данни от проведените експерименти в реални условия.
5. Заложена е възможност за определяне на интензивността на слънчевата радиация след
калибриране на детекторната система по ефективност и мощност.
Глава 4. ИЗМЕРВАНЕ НА КОЛИЧЕСТВО ВАЛЕЖИ
Целта на изследването е да се потърси такъв физичен принцип, който да позволи
конструиране на измерител на количеството на валежите, без да има сложна механична
конструкция с движещи се части.
4.1 Физични принципи на Келвинов генератор на заряд
Келвиновият генератор на заряд представлява постановка генерираща електричен
потенциал до предварително зададено ниво (определено по механичен или електрически път).
Поради принципа на действие сумарната мощност се ограничава, но потенциалът може да
достигне десетки киловолти .
Класическата постановка на лорд Келвин се състои от 2 метални пръстена и 2 метални съда
(фиг. 4.1). Под всеки пръстен е поставен съответстващ му съд, който е електрически свързан с
другия метален пръстен. Всички електростатично проводящи части задължително се изолират
електрически един от друг и от потенциала на земята. Над пръстените се разполагат по един
източник на водни капки (постановката ще работи дори струята да е непрекъсната). Капките
падат през металните пръстени и се събират в съдовете под тях.
Ако разстоянието между двата пръстена или металните съдове е достатъчно малко, при
положение, че определен брой капки са преминали през пръстените настъпва искров разряд.
По начина си на
работа,
експерименталната
постановката е
идентична с дву-
транзисторите тригерни
схеми в това, че и при
двете постановки
процесите се развиват
лавинообразно и се
разчита на наличието
начална несиметрия.
За да стартират
физичните процеси в
системата е нужно да е налице разлика в електростатичният потенциал между двата
електрически свързани клона. Съгласно полярността показана на фиг. 4.1, в началния момент
съд C и пръстен B са малко по-положителни електрически от металните съд D и пръстен A. При
такива начални условия ако през пръстените са пуснати струйки вода, двата клона се
поляризират противопосочно. Капките, преминаващи през отрицателно поляризирания пръстен
А, се поляризират по закона за електростатичната индукция положително. Носейки положителен
заряд, те попадат в съд C, който вече е поляризиран положително и добавят още положителни
заряди към него. Така съд C, съответно заедно с него пръстенът B, се поляризират положително.
Това допълнително поляризиране на пръстен F, аналогично на пръстен А, предизвиква
Фиг. 4.1
Келвинов генератор на заряд
22
отрицателно поляризиране на капките преминаващи през него. Те от своя страна, чрез заряда си,
допринасят допълнително за отрицателното поляризиране на свързаните съд D и пръстен A. По
същество това представлява положителна обратна връзка и води до лавинообразно протичащ
процес подобно на тригерна схема, както беше отбелязано по-горе.
Количеството електрически заряд, пренасян от всяка капка, е пропорционален на
цялостната разлика в електростатичния заряд между електростатично свързаните клонове съд D
– пръстен A и съд C – пръстен F, който от своя страна е свързан с потенциалната разлика V
между тях. Ако водата тече равномерно (броят падащи капки за единица време е постоянен), то
скоростта на промяна на потенциалната разлика dV/dT ще е пропорционална на V:
VKdT
dV⋅= , (4.1)
където K е константа с положителен знак и отразява конструкцията на постановката и
параметрите на водната струя. Уравнението има решение във вида:
( ) tKeVTV
⋅⋅= 0 , (4.2)
където V0 e потенциалът в момента от време T=0 – т.е. началният потенциал на несиметрия.
Теоретично при начално условие V0=0V процесът никога няма да стартира, но на практика
струите вода никога не са еднородни и в едната има остатъчен заряд, който, макар и бавно, е в
състояние да стартира процеса.
4.2 Адаптиране на Келвиновия генератор за целите на измерване на количество валежи
Келвиновият генератор на заряд може да залегне в основата на устройство, измерващо
количеството валежи – просто като се пропусне дъждът да минава през пръстените.
Първата възможност е да се регистрира броя на разрядите, които настъпват в системата.
Разбира се, в този случай чувствителността на системата ще бъде много ниска (необходимо е
съществено количество валеж, за да възникне разряд), а неопределеността - много голяма, тъй
като са неясни началните условия - напрегнатост на електрическото поле във въздуха и др.
Съществува възможност да се измерва потенциалната разлика между двете електрически
изолирани части на системата. Както се вижда от зависимост (4.2), връзката напрежение –
количество валеж е силно нелинейна (експоненциална), като коефициентите също зависят от
конкретните метеорологични условия.
За избягване на тези ограничения е предложен модифициран вариант на Келвиновия
генератор на заряд, при който едното рамо на системата е премахнато, а между пръстена и
цилиндъра, който е заменен със заземена проводяща основа, е приложено напрежение от
външен токоизточник (фиг. 4.2).
По този начин
потенциалът между тях се
запазва постоянен във
времето. От там,
количеството заряд, което
се пренася от всяка капка,
е сравнително постоянно
(зависи само от големината
и, която от своя страна е
свързана с измерваното
количество). Между
пръстена и основата е
поставена зарядосъбираща
решетка, изолирана от
основата с тефлонови
колонки. Към зарядосъбиращата решетка е свързан зарядочувствителен усилвател.
Напрежението в изхода му е пропорционално на пренесения заряд, а оттам – на количеството
водни капки, преминали през пръстена и достигнали до решетката.
Фиг. 4.2
Модифициран вариант на Келвиновия генератор на заряд
23
4.3 Експериментално изследване
С цел потвърждаване (или отхвърляне) на хипотезата, че модифициран вариант на
Келвинов генератор на заряд може да се използва за измерване на количеството на валежите, бе
изградена и изследвана схемата за събиране на заряда от решетката. Зарядочувствителният
усилвател е изграден на базата на интегрална схема CA3140, характеризираща се с много високо
входно съпротивление (Ri>1.5 TΩ).
Изследванията са провеждани
при поляризиращо напрежение от
200 до 500 V. При това
консумацията от захранващия
източник беше пренебрежимо
малка (под 1µA). При по-високо
напрежение чувствителността на
системата се увеличава. Върху
чувствителността на системата
много силно влияние оказва и
стойността на натрупващия
кондензатор С.
Целта на проведения
експеримент е да се изследва
поведението на системата при
различни стойности на
поляризиращото напрежение и
различна интензивност на водния
поток през пръстена. Резултатите
са представени в относителни
единици, тъй като за целите на
експеримента не са от значение
абсолютните стойности, а типа на
зависимостите.
Опитите са проведени като
при зададени стойности на
поляризиращо напрежение и
интензив-ност на водния поток се
следи промяната на изходното напрежение на зарядочувствителния усилвател. Скоростта на
промяна на изходното напрежение dVo/dT е показател за интензивността на измервания поток.
На фиг. 4.4 е показана предавателната характеристика на системата, като по абсцисната ос
са нанесени стойности на интензивността на водния поток, а по ординатната ос съответстващите
им стойности на скорост на промяна на изходното напрежение в относителни единици.
Напрежението на пръстена е 250V.
На фиг. 4.5 е показана експериментално получена графика, която изразява промяната на
чувствителността на измервателната система в зависимост от приложеното напрежение на
поляризиращия пръстен при постоянен воден поток. Чувствителността се изразява като промяна
на изходното напрежение при преминаване на единица обем вода през пръстена.
4.4 Постигнати по-съществени резултати в Глава 4
1. Предложен е адаптиран вариант на водния генератор на лорд Келвин, състоящ се от
поляризиран до известен потенциал проводящ пръстен и зарядосъбираща решетка, позволяващ
наелектризиране на дъждовни водни капки при преминаване през конструкцията.
2. Разработена и експериментирана е схема за снемане и регистриране на заряда,
пренасян от водните капки през механичната конструкция.
3. Предложена е оригинална методика за регистриране и обработване на така получените
данни.
y = 0.0261x + 0.0325
R2 = 0.961
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Количество вода за единица време [отн.ед.]
dV
o/d
T [отн
.ед.]
Фиг. 4.4
Предавателна характеристика
y = 0.00000048x2 + 0.00006538x + 0.02549929
R2 = 0.99595249
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
200 250 300 350 400 450
Напрежение на пръстена [V]
Чувствителност
[отн
.ед
.]
Фиг. 4.5
Зависимост на чувствителността от приложеното
напрежение
24
4. Проведени са експерименти за определяне на работоспособността и чувствителността
на системата. Приведени са експерименталните данни.
Глава 5. МНОГОПАРАМЕТРИЧНА СИСТЕМА ЗА ДЪЛГОВРЕМЕННО ИЗМЕРВАНЕ
5.1 Система за дълговременно измерване
5.1.1 Основни изисквания и принципи приложени в проектираната система
Основно изискване за системи предназначени за работа в отдалечени ненаселени райони
при неблагоприятни условия, е постигането на ниска консумация, поради невъзможността за
подмяна на източника на енергия (батерията) за дълъг период от време. Също цел при
проектирането е опростяване на схемните решения, надеждната механична конструкция и
постигане на сравнително ниска себестойност (цена). Такива изисквания водят до ограничения и
компромиси, които трябва да бъдат направени в процеса на проектиране. На фиг. 5.1 е показана
структурна схема на проектираната измервателна система, представени са изграждащите я
блокове и връзките между тях.
Фиг. 5.1
Блокова структура на измервателната система
Когато микроконтролерът е в неактивен режим („sleep mode”), всички вградени осцилатори
са изключени и е необходимо външно въздействие за да се излезе от това състояние.За целта е
използван е външен часовник за реално време (RTC – Real Time Clock) DS1307. Часовникът има
възможност за генериране на импулси с честота 1Hz, които се използват като източник на
външно прекъсване за микроконтролера и така той се извежда от неактивен режим веднъж на
всяка секунда.
Изборът на температурни сензори е направен по няколко критерия - точност, консумация,
принцип на измерване, цена. Използван е сензор с импулсен изход SMT160 на фирмата Smartec,
който не изисква допълнително схемно осигуряване. Консумацията на сензора е 200µA и може
да бъде захранен директно от извод на микроконтролера. Когато трябва да се извърши
измерване се извежда логическа единица на съответния извод и след 1-2 милисекунди сензорът
се установява в работен режим.
За следене на разряда на захранващата батерия са използвани CMOS усилвател MCP609 на
фирмата Microchip и вграденият АЦП на микроконтролера. Консумацията от 25µA на усилвател
прави MCP609 подходящ за директно захранване от извод на микроконтролера.
Основна роля при намаляване на общата консумация има управлението на захранването на
периферията (“Supply control”, фиг. 5.1). Целта е да се изключват всички сензори, усилватели,
преобразуватели, периферия, а микроконтролерът да се постави в икономичен “sleep” режим.
Прилагайки такъв принцип на управление на захранването общата консумация (вкл.
захранващия блок) се свежда до по-малко от 100 µA. Системата се извежда от състоянието на
25
понижена консумация при възникване на определено дефинирано събитие. В конкретния случай
това е импулс генериран от часовника за реално време - ЧРВ („Real Time Clock” – RTC). На фиг.
5.2 е представена последователността от събития при работата на системата. Всяка секунда
часовникът за реално време изработва импулс, извеждащ микроконтролера от икономичния
„sleep” режим и за около 55µs се увеличава стойността на числото в софтуерен брояч, който
задава измервателния период. На пет минути периферията (АЦП, броячен модул, таймери и
т.н.), сензорите, усилвателите, преобразувателите се захранват за период от около 20ms и се
прави измерване. На трийсет минути измерените стойности се осредняват и се записват във
външна EEPROM памет.
Фиг. 5.2
Разпределение на функциите по време на работа на системата
С цел да се спести обем от паметта не се записват данни за реалното време на измерването.
Вместо това те се използват за изчисляване на адреса, на който да се извърши записа и времето
се преизчислява при прочитане на данните.
Приложение на системата
Описаната измервателна система е проектирана за употреба на Българската Антарктическа
База като опростена система за измерване на околна температура (вътре в постройката) и
напрежение на акумулатор. Устройството е инсталирано на остров Ливингстън от българската
експедиция на седми Януари 2009г. На шести Февруари 2009г. експедицията напуска базата и се
връща в началото на Декември 2009г. Системата е върната в България през Януари 2010г. за
анализиране на получените данни.
На фиг. 5.3 са показани данни от запис за периода Януари 2009г. – Декември 2009г.
Графиките са от единия температурен канал и от канала за следене на разряда на захранващата
батерия. За периода от една година напрежението е спаднало от 6.3V до 6.05V. Просто
изчисление показва, че при средна консумация от около 80µA и капацитет на батерията 5Ah,
основна причина за промяна напрежението е саморазряд и температурни ефекти в периода на
експлоатация.
Данните показват, че температурата се е променяла в граници от +25°C до -15°C. В
периодите, когато температурата е над +5°C в базата е имало персонал и постройката е
отоплявана. От шести Февруари 2009г. до втори Декември 2009г. в базата не е имало хора,
отоплението е изключено и ясно се вижда дневен ход на температурата. По време на полярната
зима има цикличен ход на температурата с по-дълъг от 24 часа период. Данните от
26
напрежителния показват температурна зависимост на напрежението на батерията от порядъка
на 30mV/10°C, което е незначително за конкретното приложение.
В заключение може да
се отбележи, че
проектираната система
работи за повече от 8500
часа без никаква
поддръжка и осигури
данни за почти целия
период. Опитът показа
някои от проблемите,
които могат да възникнат
при такъв тип
експлоатация. Постигането
на висока надеждност е
най-трудната задача при
проектирането. Ниската
консумация противоречи
на високата точност на
измерване и кратки
периоди на отчитане. Компромисите при проектирането трябва да се преценят внимателно – в
някои случаи дълговременната стабилност и ниската консумация са от по-голямо значение от
високата точност на измерване.
5.2 Разширяване на многопараметричната система за натрупване на данни
В процеса на реализиране и експериментиране с регистриращата система са въведени
някои промени спрямо описаните решения в точка 5.1. Те са свързани с разширяване на
функциите й и подобряване на някои от използваните схемни решения.
Фиг. 5.4
Структурна схема на измервателната система
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
1/27/2009 3/18/2009 5/7/2009 6/26/2009 8/15/2009 10/4/2009 11/23/2009
ДатаТемпература [
°C]
5.8
5.85
5.9
5.95
6
6.05
6.1
6.15
6.2
6.25
6.3
Напреж
ение
[V]
Температура
Напрежение
Фиг. 5.3
Запис от измервателната система за периода
Януари 2009г. – Декември 2009г.
27
Промените се свеждат до следното:
- увеличаване на броя на броячните входове на осем;
- добавяне на 12 битов диференциален АЦП;
- добавяне на четири входа за температурни сензори Pt100;
- увеличаване на обема енергонезависима памет – добавена е MicroSD карта;
- добавяне на модул за измерване на радиационен фон;
- добавяне на сензор за атмосферно налягане;
- добавяне на модул за измерване на слънчевата радиация.
Промените в системата целят да се разширят функциите й като по този начин улеснят
провеждането на калибровки и сравнителни измервания. Наличието на повече броячни и
аналогови входове позволява лесно добавяне на сензори и други периферни устройства, които
до момента не са били необходими. Получената структура на измервателната система след
промените е представена на фиг. 5.4.
5.2.1 Аналогови канали за измерване на температура със сензори Pt100
В проектираната система са предвидени четири измервателни канала за резистивни сензори
Pt100. Ако бъдат изградени отделни измервателни канали, ще са необходими четири резистивни
моста, четири източника на ток, четири диференциални усилвателя и четири входа на АЦП. В
конкретния случай такъв подход не е удачен поради стремежът да се сведе до минимум
консумацията на схемата – използваните компенсирани операционни усилватели AD8554 имат
сравнително висока консумация, от порядъка на 3.6 – 4mA за четворен усилвател.
Съставена е схема, при която
има четири резистивни моста,
които се захранват избирателно от
един и същи източник на ток. На
фиг. 5.5 е представен принципът
на превключване на четирте
канала за Pt100. Чрез ключове
SW0, SW1, SW2 и SW3 се избира
активният мост. Изходите на
мостовете се мултиплексират чрез
аналогов мултиплексор към един
диференциален усилвател, чието
изходно напрежение се подава на
12 битов аналогово-цифров
преобразувател.
При изграждането на
аналоговия измервателен канал
трябва да се вземат мерки за отстраняване на смущения с различен характер и произход.
Ограничаването на честотната лента на усилвателя води до по-висока шумозащитеност, но
противоречи на основната концепция при настоящото проектиране – минимизиране на
консумацията. Проблемът се състои в необходимостта от време за установяване на изходното
напрежение на усилвателя след подаване на входно напрежение. След активиране на поредния
от четирите сензора е необходимо някакво време, за което напрежението подавано на АЦП да
влезе в рамките на +/- 0.5LSB от установената стойност за съответния сензор. Колкото по-дълго
е това време, толкова по дълго аналоговата измервателна схема трябва да е в активно състояние
и следователно ще консумира от захранващия източник. Експериментално е определено, че е
необходимо време за установяване около 1.5ms преди да се направи отчет с АЦП. Изчакване от
такъв порядък е напълно приемливо и не противоречи на изискването за ниска консумация.
Поради изискването за бързо установяване на напрежението, ограничаването на честотната
лента трябва да се комбинира с друг метод, който ефективно да премахва основното смущение с
честота 50Hz. За целта е приложен цифров филтър на принципа на пълзящо осредняване.
На фиг. 5.9 е показан запис на данни от системата в лабораторни условия, като ясно се
вижда смущение с честота, която е продукт от мрежовата честота и честотата на семплиране.
Фиг. 5.5
Блокова схема на четирите измервателни канала с Pt100
28
Свързващите проводници на
сензорите са дълги около два метра.
На фигурата е показан и сигнал
получен при прилагане на описаната
филтрация. Като заключение може да
се отбележи, че прилагането на
осредняващ филтър удължава
времето за едно измерване до 20ms,
което води до увеличаване на
консумацията в сравнение с
измерване без филтъра. Опитните
резултати, обаче, показват, че без
прилагане на филтъра, смущенията в
аналоговия канал са недопустимо
големи и трябва да бъде направен
компромис с консумацията за да се
постигне точността, която е цел на
проектирането.
5.2.2 Измерване на мощността на дозата от естествен радиационен фон
Ниската консумация, лесното снемане на сигнала и семплата схема за регистрация
(свеждаща се до обикновен брояч) правят подходящи ГМД за приложение в конкретния случай.
Детекторният блок включва самия Гайгер-Мюлеров детектор, формировател на сигнала от
детектора и захранващ блок (фиг. 5.10). Широкото плато на броячната характеристика на ГМД и
малката консумация не поставят сериозни изисквания към захранващия блок по отношение ниво
на пулсации и стабилност. Основният генератор е реализиран на базата на CMOS 74HC132.
Използван е MOS транзистор в ключов режим, натоварен с индуктивността L1. Изходните
импулси се подават на 9-стъпален диодно-капацитивен умножител на Cockcroft-Walton.
Изходното напрежение в изхода му достига 450V. Това изходно напрежение „се следи” от
напрежителен компаратор MAX8211. При достигането му, генераторът се изключва, което
значително намалява консумация на схемата.
**
Фиг. 5.10
Детекторен блок
На практика консумацията зависи от броя импулси генерирани от ГМД за единица време
(т.е. от мощността на дозата), тъй като именно импулсите водят до разреждане на капацитетите
от умножителя. При спадане на напрежението под 400V генераторът се включва докато
напрежението на капацитивния умножител отново достигне горната граница от 450V. Чрез този
принцип на работа средната консумация на детекторния блок е сведена до около 50µA при
нормални условия. Консумация от такъв порядък е много ниска, но все пак е значителна в
-3
-2
-1
0
1
2
0 20 40 60 80 100 120
Време [sec]
Изх
. сигнал
[LS
Bs]
филтрирани даннинефилтрирани данни
Фиг. 5.9
Запис на сигнал преди и след цифрова филтрация
29
сравнение с консумацията на цялата регистрираща микроконтролерна система и останалите
сензори. Взето е решение дозиметричната схема да се захранва самостоятелно с батерии, които
не са част от общото захранване, като при изтощаване на батериите ще спре постъпването на
импулси в броячната система на микроконтролера, но останалата част от системата ще
продължи да функционира.
Снемането на сигнала от ГМД се извършва в катодната му верига. Характерно е, че
импулсите са с достатъчно висока амплитуда и не се налага допълнителното им усилване.
Високата шумоустойчивост се гарантира от хистерезиса на буферното стъпало на броячния вход
на използвания микроконтролер. Единствено е необходимо да се предприемат мерки за
ограничаване на амплитудата им над допустимата стойност от 5V. За целта импулсите се
подават на базата на NPN транзистор, чийто колектор се свързва с резистор към захранващото
напрежение на микроконтролера VCC.
Формираните импулси се подават на TIMER3 на микроконтролера, който е конфигуриран в
режим на несинхронизиран брояч с външен източник. Таймерът остава активен и докато
микроконтролерът е в “sleep mode”, но консумацията му е нищожна, тъй като скоростта на
броене е много ниска, от порядъка на единици в секунда. Входът е буфериран с тригер с
хистерезис, което гарантира шумоустойчивост при регистриране на импулсите.
5.2.3 Изследване на температурната нестабилност на аналоговите измервателни канали
Температурно зависимите
фактори, които нарушават
точността на измерване са
много и някои от тях са трудно
определими (дори и само
посоката, в която оказват
влияние), задачата да се
определи аналитично крайният
ефект е твърде сложна.
На фиг. 5.13 е показана
постановката на експеримент, с
който се наблюдава ефектът от
промяна на температурата на
измервателната електроника.
Изследваното устройство се
поставя в термоизолирана
камера, чиято температура се
регулира в известни граници.
Вместо резистивни
температурни сензори към системата са включени стабилни еталонни резистори (с
температурен коефициент по-малък от 15ppm/°C), със стойност отговаряща на съпротивлението
на сензор Pt100 при около 25°C (110Ω).
Направени са две експериментални измервания, като са използвани два различни
операционни усилвателя:
- MCP609 – стандартен CMOS усилвател, с температурен дрейф на входното
напрежение на несиметрия 1.8µV/°C;
- AD8554 – стабилизиран (“zero-drift”) операционен усилвател, с температурен дрейф
на входното напрежение на несиметрия 0.005µV/°C.
Целта на експеримента е да се провери доколко температурната нестабилност на
аналоговата измервателна система се дължи на температурните ефекти в операционния
усилвател.
На фиг. 5.14 са представени графично резултати от проведеното изследване. При
използване на усилвател AD8554 промяната на показанието е с по-малко от +/-0.05°C при
промяна на околната температура от -10°C на 60°C. Тази промяна попада в границите +/- 1LSB
Фиг. 5.13
Опитна постановка за изследване на поведението на
измервателната система при промяна на околната
температура
30
на аналогово-цифровия преобразувател, което на практика означава, че системата е
нечувствителна към температурни промени в обхвата -10°C до 60°C.
В случая, когато е
използван усилвател
MCP609, промяната на
показанието е повече от +/-
0.5°C при промяна на
околната температура от -
10°C на 60°C. Това
означава, че подобен тип
усилватели са
неприложими за прецизни
измервания в широк
температурен обхват.От
резултатите получени при
експеримента може да се
направи изводът, че
основната част от температурната нестабилност в аналогови системи, които са подобни на
проектираната, се дължи на температурните ефекти в операционния усилвател.
5.2.4 Полеви изследвания с разработената система
Устройството е изпратено на остров Ливингстън с българската експедиция през месец
декември 2012г. Инсталирано е в основната постройка като част от сензорите за изведени навън,
върху специално монтирана мачта. Резултати от измерванията се очакват в края на 2013г.
5.3 Постигнати по-съществени резултати в Глава 5
1. Създадена е многоканална полева апаратура, позволяваща дълговременно (над 1 г.)
измерване на температура, налягане, осветеност, радиационен фон и др. при екстремни условия
и ограничен капацитет на енергозахранващия източник.
2. Предложена е методика намаляване на консумираната енергия от разнотипни сензори,
като те се захранват кратковременно само в моментите на провеждане на измерването.
Изследвано е влиянието на предложения режим на работа върху точността на провежданите
измервания, установено е, че метрологичните характеристики на апаратурата се запазват.
3. Разработени са алгоритми и програма за управление на изградената система с
ефективно управление на режимите за понижено електропотребление на използвания
микроконтролер и изключване на измервателните вериги в периодите между две измервания.
4. Установен е оптимален темп на натрупване на данни при дълговременно измерване на
физични параметри на околната среда с цел регистриране на отделни събития при съблюдаване
ограниченията за енергопотребление и обем на паметта за съхранение на резултатите от
наблюденията.
5. Изследвана е температурната нестабилност на проектирания аналогов измервателен
канал, като е показано, че чрез прилагане на подходящи схемотехнични решения,
нестабилността в широк температурен обхват е сведена до разделителната способност на
използвания аналогово-цифров преобразувател.
6. Със създадената апаратура са извършени многобройни експерименти потвърждаващи
възможността за употребата ѝ в полеви условия и определяне дълговременните промени на
физични параметри на средата при екстремни условия.
Глава 6. ПРИЛОЖЕНИЕ НА СИСТЕМИ ЗА ДЪЛГОВРЕМЕННИ ИЗМЕРВАНИЯ В
ДРУГИ ОБЛАСТИ
6.1 Система за изследване на екзотермията в бетонови структури с голям обем
В периода на хидратация на бетона се отделя значително количество топлина поради
екзотермичния характер на химичните реакции в циментовата смес. Съществуват множество
химически добавки, които променят свойствата на бетона по време и след приключване на
хидратацията. Особено голямо значение имат добавките влияещи на екзотермията на бетона,
-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1
00.10.20.30.40.50.60.7
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
Температура [°C]
Отклонение
[°C
]
MCP609
AD8554
Фиг. 5.14
Резултати от температурно изследване на аналогов канал за сензор
Pt100
31
тъй като температурните процеси в пресния бетон могат сериозно да повлияят на якостните му
качества след втвърдяване.
В някои случаи
е от съществено
значение да се следят
температурните
процеси при реални
условия. В бетонови
конструкции с голям
обем температурните
разлики между
отделни участъци
могат да предизвикат
образуване на
микропукнатини,
които понижават
якостните качества и
са предпоставка за
ускорено стареене.
Проектираната измервателна система е предназначена за изследване на температурните
процеси в бетонени фундаменти за ветрогенератори във „Ветропарк Каварна”. На фиг. 6.1 е
представен бетонения фундамент като опростена форма и точките, където се разполагат
температурните сензори.
Фиг. 6.2
Блокова схема на измервателната система
На фиг. 6.2 е представена измервателната система в блоков вид. Система е проектирана за
да улесни значително изследването на температурните процеси в бетоновите фундаменти.
Изискванията към системата са:
- десет входа за температурни сензори – девет се влагат във фундамента, а един следи
околната температура;
- обем енергонезависима памет, достатъчен за 50 – 60 дневен запис;
- минимална консумация;
- точност на измерване +/- 1.5°C.
сенз. 9
сенз. 4сенз. 5сенз. 6
сенз. 7сенз. 8
сенз. 3
сенз. 1сенз. 2
20m
20m
Измервателна
система
Фиг. 6.1
Опростен вид на бетонен фундамент и разположение
на температурните сензори
32
- разделителна способност 0.1°C.
Използвани са температурни сензори SMT160, които могат да се свържат директно към
броячния модул на микроконтролера. За добавяне на броячни входове е използван външен
мултиплексор. Захранването на сензорите се управлява от микроконтролера – подава се за
няколко милисекунди, когато е необходимо да се да се направи измерване със съответния
сензор. За запазване на настройките на системата се използва RAM паметта на часовника за
реално време. Комуникацията с персонален компютър се осъществява с UART към USB
преобразувател. Захранването на системата е 5V, които се получават от батерия и импулсен
преобразувател тип „капацитивна помпа” (charge-pump).
На фиг. 6.5 са представени
резултати от изследване на
екзотермията във фундамент за
ветрогенератор. Показани са
температурите в три значими
точки и околната температура.
След приключване на
дейността във „Ветропарк
Каварна”, разработените
измервателни системи намират
приложение в други обекти
(например МВЕЦ „Свражен” на
река „Искър”), а също така и
като лабораторно средство за
изследване и контрол.
6.2 Модул за измерване на околна температура и влажност като част от система за
асистиране на възрастни.
Системите за асистиране (Ambient Assisted Living System) целят да улеснят и подобрят
живота в домашна среда на възрастни и хора с намалена подвижност.
Предназначението на проектирания модул е да следи околната температура и влажност на
въздуха. Тези параметри са особено важни, защото дават информация за навиците, субективните
изисквания и нужди на асистирания човек. Също така са съществен показател за състоянието на
заобикалящата среда – например стойност на температура извън някакви граници е признак за
забравена включена печка, проблем с климатизацията, забравен отворен прозорец и мн.др., и
може да служи за задействане на алармена сигнализация, локална или дистанционна.
За изграждането на измервателния модул е избран SHT21. Ниската консумация, малките
размери и задоволителната точност, го правят особено подходящ като част от батерийно
захранван безжичен модул.
За изграждане на локалната безжична мрежа е използван микроконтролер CC1110F32,
който има вграден радио модул и е оптимизиран за приложения с батерийно захранване. Целият
измервателен модул се захранва с 3-волтова литиева батерия. Кратките периоди на измерване се
редуват с периоди, в които цялата система е в неактивен режим с ниска консумация. Така
общата консумация е сведена до под 20µA.
Проектираният модул е приложен на практика в реални условия и на фиг. 6.8 е представен
48 часов запис от данни. Разположен е в спалня в жилище на седми етаж. Въпреки че промяната
на температурата е по-малка от 2°C, високата разделителна способност на сензора позволява да
се направи детайлен анализ.
От графиката се вижда, че след залез слънце (около 20:00 ч.) стайната температура започва
бавно да се понижава. Същевременно влажността на въздуха започва да се покачва, което е в
резултат на естествената връзка между двата параметъра. Експериментът е проведен през месец
юли и обикновено прозорецът на стаята се държи отворен през цялата нощ. След полунощ се
забелязва значително повишаване на влажността на въздуха, което е резултат на интензивен
валеж. Първата пунктирана линия маркира момента, в който прозорецът е затворен и
температурата в стаята започва да се покачва. Това продължава, докато прозорецът е отворен
0
10
20
30
40
50
60
70
0 20 40 60 80 100
Възраст на бетона [часове]
Температура [
°C]
Фиг. 6.5
Резултати от измерване
33
отново – моментът е маркиран с втората пунктирана линия. По това време дъждът е спрял –
около 05:00 часа.
26
27
28
29
30
31
32
23.7.2011
12:00
23.7.2011
18:00
24.7.2011
00:00
24.7.2011
06:00
24.7.2011
12:00
24.7.2011
18:00
25.7.2011
00:00
25.7.2011
06:00
25.7.2011
12:00
Tem
per
atu
re [
°C]
0
10
20
30
40
50
60
Rel
ati
ve H
um
idity
[%]
Temperature
Humidity
Фиг. 6.8
Данни за температура и влажност за 48 часов период
Описаните събития са пример за информацията, която може да бъде получена от следенето
на температура и влажност в обитавано помещение. Тези параметри са тясно свързани с
ежедневните дейности, навици и поведение на асистирания човек. По-детайлен анализ и
използване на алгоритми за откриване на събития могат значително да допринесат за
поддържане на комфортни условия при системите за асистиране.
6.3 Постигнати по-съществени резултати в Глава 6
1. Чрез прилагане на разработените методики и средства е създадена система за
изследване на екзотермията в бетонови структури с голям обем. Същата е апробирана при
изграждане на бетонови фундаменти за ветрогенератори във „Ветропарк Каварна”, като е
показала надеждна работа. Получените резултати дават ценна информация за подобряване на
производствения процес и качествата на положения бетон.
2. Предложената методика за ограничаване на енергопотреблението от сензорни системи
е приложена при изграждане на модул за измерване на околна температура и влажност като част
от система за асистиране на възрастни. Получените резултати значително допринасят за
поддържане на комфортни условия в средата, която е оборудвана със система за асистиране.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В дисертационния труд е направен преглед на методите и средствата за измерване на
основните физични величини, характеризиращи състоянието на околната среда. Акцентирано е
на особеностите, свързани с дълговременната работа на апаратурата в необслужваеми райони,
при ограничени възможности за енeргообезпечаване, при екстремни условия на средата
(температурни, висока eлeктромагнитна активност и пр.). Изследвана е работата на разнотипни
сензори (температурни, за налягане, влажност и пр.) с оглед оптимизиране на схемните решения
и режими на работа за осигуряване на висока точност и стабилност на преобразуването при
много ниско енергопотребление. Застъпени са въпросите за прецизна калибровка на създадените
системи от сензори и измервателна апаратура чрез прилагане на сравнителни и алгоритмични
подходи и процедури. Разработени са икономични схемни и програмни средства за
дълговременно измерване, обработка и регистриране на основни физични параметри на
околната среда в екстремни условия. Анализирани са проблемите, които възникват при
дълговременни измервания в необслужваеми зони в полеви условия и е създадена апаратура за
непрекъснато регистриране и измерване в екстремни условия.
34
В дисертационния труд са постигнати следните по-важни резултати:
1. Аналитично и експериментално са изследвани източниците на грешки при измерване
на температура с терморезистори Pt100 и температурни сензори с импулсен изход тип SMT160.
Изследвано е влиянието на напрежението на несиметрия на входния усилвател върху точността
на измерване. Аналитично е изследвано влиянието на степента на апроксимиращия полином
върху точността на привързване на скалата. Предложена е процедура за повишаване точността
на калибровката за Pt100 клас „В”, при привързване само към една точка.
2. Проведени са изследвания за температурна стабилност на сензори за налягане тип
SPD015A и MPX6115A. Предложени са схемотехнични и алгоритмични решения, които
подобряват температурната стабилност на SPD015A и дават възможност същият да бъде
използван за определяне на барометричното налягане. Установено е, че MPX6115A има
съставка, която е недокомпенсирана, показано е, че тя може да бъде премахната след измерване
температурата на сензора и прилагане на изчислителна процедура.
3. Извършени са изследвания за определяне възможностите на психрометричния метод
за определяне на относителната влажност на въздуха при използване на прецизно калибрирани
терморезистори Pt100 и на капацитивен сензор за влажност тип SMTH10. Извършено е
калибриране чрез използване на наситен разтвор на NaCl. Извършени са сравнителни
измервания с двата хигрометъра с цел привързване на показанието на капацитивния сензор.
4. Изследвана е възможността за измерване фотонното излъчване на Слънцето чрез
използване на широкодостъпни оптични сензори. Разработена е методика за динамично
формиране и измерване на сигнала от фотодиоди, позволяващи получаване на характеристиката
на прибора в зависимост от мощността на експозираното лъчение. Синтезирана е и
експериментирана оригинална схема за снемане на заряда от сензора, позволяваща прилагане на
предложената методика. Чрез изчислителна процедура се определя оптималната работна точка,
в която се получава максимум на отдаваната мощност от сензора. Заложена е възможност за
определяне на интензивността на слънчевата радиация след калибриране на детекторната
система по ефективност и мощност.
5. Предложен е адаптиран вариант на водния генератор на лорд Келвин, състоящ се от
поляризиран до известен потенциал проводящ пръстен и зарядосъбираща решетка, позволяващ
наелектризиране на дъждовни водни капки при преминаване през конструкцията. Разработена и
експериментирана е схема за снемане и регистриране на заряда пренасян от водните капки през
механичната конструкция. Предложена е оригинална методика за регистриране и обработване
на получените данни.
6. Създадена е многоканална полева апаратура, позволяваща дълговременно (над 1 г.)
измерване на температура, налягане, осветеност, радиационен фон и др. при екстремни условия.
Предложена е методика за намаляване на консумираната енергия от разнотипни сензори.
Разработени са алгоритми и програма за управление с ефективно управление на режимите за
понижено електропотребление. Изследвано е влиянието на предложените режими на работа
върху точността на провежданите измервания.
7. Разработените методики и средства са приложени и при система за изследване на
екзотермията в бетонови структури с голям обем, както и при изграждане на модул за измерване
на околна температура и влажност като част от система за асистиране на възрастни и хора с
увреждания. Получените резултати от изследванията потвърждават универсалността и
многофункционалността на създадените технически решения.
Резултатите от изследванията са намерили приложения в следните
научноизследователски проекти: 1. Договор в помощ на докторанти No 102PD210-03, финансиран от НИС при ТУ – София
на тема: „Изследване, анализ и проектиране на системи за дълговременно измерване
параметрите на околната среда при екстремни условия”, София (2010 г.)
2. Договор ДДВУ02/18 между НИС при Технически университет - София и националния
фонд „Научни изследвания” на тема:” Разработване и изследване на адаптивна асистираща
система за възрастни и хора с увреждания”, София, 2010 г.
35
ПРИНОСИ В ДИСЕРТАЦИОННИЯ ТРУД:
А. Научно-приложни приноси
1. Аналитично и експериментално са изследвани източниците на грешки при измерване на
температура, барометрично налягане и относителна влажност. Аналитично е изследвано
влиянието на степента на апроксимиращите полиноми върху точността на привързване на
скалите. Предложени са схемотехнични и алгоритмични решения, които подобряват
температурната и дълговременна стабилност на сензорите и процедури за повишаване точността
на калибровките.
2. Предложена е методика за намаляване на консумираната енергия от инструменталните усилватели при измерване с разнотипни сензори. Разработени са алгоритми и програма за
измерване с ефективно управление на режимите на понижено електропотребление на
микроконтролера. Изследвано е влиянието на предложените режими на работа върху точността
на провежданите измервания.
3. Предложена е методика за динамично формиране и измерване на сигнала от оптични
сензори. Синтезирана и експериментирана е схема за снемане на заряда от оптични сензори,
позволяваща прилагане на предложената методика. Чрез изчислителна процедура се определя
оптималната работна точка, в която се получава максимум на отдаваната мощност от сензора.
Заложена е възможност за определяне на интензивността на слънчевата радиация след
калибриране на детекторната система по ефективност и мощност.
4. Предложен е метод за измерване на количество валежи чрез адаптиран вариант на
водния генератор на лорд Келвин, състоящ се от поляризиран проводящ пръстен и
зарядосъбираща решетка. Разработена и експериментирана е схема за снемане и регистриране
на заряда, пренасян от водните капки през механичната конструкция. Предложена е оригинална
методика за регистриране и обработване на получените данни.
В. Приложни приноси
5. Създадена е многоканална полева апаратура, позволяваща дълговременно (над 1
година) измерване на температура, налягане, осветеност, радиационен фон и др. при екстремни
условия. Същата се използва за целогодишни измервания на параметрите на околната среда в
Българската Антарктическа База на остров Ливингстън.
6. Разработените методики и средства са приложени при система за изследване на
екзотермията в бетонови структури с голям обем, с цел обективно документиране на
технологичния процес.
7. Резултатите от дисертационното изследване са залегнали и при изграждане на модул за
измерване на околна температура и влажност като част от система за асистиране на възрастни
хора.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИСЕРТАЦИЯТА:
[1]. Sapundjiev, P. V., M. G. Mitev, V. D. Manoev. Air Pressure Measurement Using Silicon Based
Analog Sensor SPD015A. Proceedings of the Technical University – Sofia, volume 58, book 2,
pp 75-80, ISSN 1311-0829, Sofia 2008.
[2]. Sapundjiev, P. V. Air Humidity Measurement Using The Psychrometric Method. Annual
Journal of Electronics, 2009, ISSN 1313-1842.
[3]. Mitev, M. G., P. V. Sapundjiev, L. T. Tsankov, G. G. Zhelyazkov. Optimal Signal Extraction
from Light-Sensors when Measuring Solar Radiation Intensit. Annual Journal of Electronics,
2010, ISSN 1313-1842, Volume 4, No2, p-p 58 - 61.
[4]. Sapundjiev, P. V., M. G. Mitev, L. T. Tsankov, A Simple Data Acquisition System for
Environmental Measurements at Severe Conditions. Annual Journal of Electronics, 2010, ISSN
1313-1842, Volume 4, No2, p-p 62-65.
[5]. Sapundjiev P., G. Zhelyazkov, M. Mitev, Rainfall Drops Measurements Using a Modified Lord
Kelvin Generator. Annual Journal of Electronics, 2011, ISSN 1313-1842, Volume 5, No2, p-p
25-28.
[6]. Sapundjiev P., I. Iliev, M. Mitev, Monitoring Environmental Status as Part of Ambient Assisted
Living System. Annual Journal of Electronics, 2011, ISSN 1313-1842, Volume 5, No2, p-p 56-
59.
36
ABSTRACT
Research, analysis and improvement of circuits and systems for long term monitoring of
environmental parameters
Meteorological monitoring acquires information on atmospheric weather phenomena that can be
used to analyze events causing environmental concerns. In the area of meteorological research it is
often necessary the long term data collection of various environmental parameters, for instance:
temperature, air pressure, air humidity, sun radiation, environmental gamma radiation, etc. Nowadays
there are available a lot of cheap devices, measuring a limited set of environmental parameters, mostly
temperature, air humidity and air pressure. Device’s reliability and accuracy are generally low; many
of them do not apply calibration or any compensation of disturbing influences (temperature
compensation, etc.). Many of the loggers require a personal computer for data recording, which makes
them unsuitable for long term exploitation in open field conditions. In general such devices do not
include measurement of the gamma radiation even by most simplified methods. Higher class
automatic meteorological stations, equipped with a solar (photo-voltaic) supply system, are also
available, but being too expensive they are not suitable in some applications where damage or
violation is possible.
The aim of our work is to analyze and improve common sensor’s behaviour as part of long term
monitoring systems and to develop some measurement methods. Main part of the work is dedicated to
achieving high measurement accuracy in the presence of disturbing factors and limited power source
capacity.
A brief overview of existing sensors and methods for measuring common meteorological
parameters such as temperature, air humidity, air pressure, sun radiation, rainfall, etc., states some
general conclusions and goals which are subject to the thesis – need for calibration and compensation
procedures, applying techniques for reducing power consumption, etc.
Part of the research is dedicated to calibration of RTD Pt100 sensors and improving its relevant
signal conditioning electronics in terms of temperature stability.
A series of experiments show bridge pressure sensor’s strong temperature dependence. Few
compensating procedures are proposed and applied in order to reduce temperature influence when
measuring air pressure.
A test equipment using the psychrometric method is designed and build for the purposes of
capacitive humidity sensor calibration.
A new method for optimal signal extraction from light sensor when measuring solar radiation
intensity is proposed. It is based on dynamic change of parameters of the input signal-conditioning
circuit during measurement cycle.
Concerning rainfall measurement a new method based on modified Lord Kelvin’s charge
generator is experimented. It’s function is based on extracting charge from water drops and measuring
it using charge sensitive amplifier.
Two microntroller based multisensor systems have been designed and build for the purpouses of
field experiments. Special precautions have been taken in order to achieve high reliability and
accuracy. Some software and hardware techniques have been applied in order to reduce overall power
consumption. Both of them have been installed on the Bulgarian Antarctic Base on the Livingston
Island for continuous environmental monitoring.