Precyzyjne pomiary temperaturowe

Precyzyjne pomiary temperaturowe odgrywają wielką rolę w laboratorium naukowym, lecz nie są rzeczą prostą do przeprowadzenia bez odpowiedniej aparatury.
W naszej firmie opracowaliśmy 2 wersje regulatorów potrafiących zaspokoić najbardziej wyrafinowane potrzeby klientów, łącznie z sinusoidalnymi przebiegami temperatury :

• TERMOS-1 - autonomiczny regulator temperatury PID sterowany za pomocą komputera przez łącze RS-232 + program do automatycznego skaningu temperatury
• PC_PID - karta pomiarowa + sterownik mocy grzewczej + oprogramowanie sterujące na IBM PC

Na potrzeby klientów moduł ten jest uzupełniany o dodatkowe opcje, jak np. pomiary EPR, TPD, TPR, pomiary dylatometryczne, pomiary derywatograficzne. Poniżej przedstawiamy opis wersji regulatora najprostszej, co pozwoli zorientować się w zasadzie działania i możliwościach :

Regulator temperatury PC-PID jest urządzeniem przeznaczonym do pracy w warunkach laboratoryjnych. Umożliwia zaprogramowanie liniowego przebiegu temperatury w kilkuset odcinkach czasowych ( narost, wygrzewanie, chłodzenie), a także przebiegi sinosoidalne lub wg dowolnej funkcji określonej przez zamawiającego.

Pierwsza wersja skonstruowana została dla potrzeb automatyzacji obróbki temperaturowej różnych związków chemicznych w Zakładzie Krystalografii UMCS w Lublinie.

PC-PID składa się z następujących elementów :

1. Klucz tyrystorowy ~220V/10A
2. Wzmacniacz napięcia termopary z kompensacją temperatury "zimnego złącza"
3. Karta 12-bitowego przetwornika A/C
4. Program sterujący PC-PID dla komputera IBM PC

1. - Włączyć komputer. Zapala się dioda świecąca na obudowie klucza tyrystorowego sygnalizując obecność zasilania i wyłączenie prądu w obwodzie grzejnika ( kolor zielony )
2. - Uruchomić program sterujący poleceniem PID. Jest to plik batchowy wybierający na dysku katalog roboczy i ładujący program PC-PID.exe
3. - Odczekać co najmniej 25 sekund, aż program zarejestruje 4 kolejne temperatury. Właściwe odczyty temperatury będą miały miejsce dopiero po nagrzaniu się komputera i ustabilizowaniu warunków pracy wzmacniacza i przetwornika A/C. Trwa to około 30 minut.

Wybieranie opcji z menu głównego dokonuje się kursorem myszy i jej lewym klawiszem lub przez podświetlenie żądanej opcji klawiszami kursorowymi <- , -> i wciśnięcie ENTER lub naciskając klawisz z literą wyróżnioną w menu kolorem i wielkością ( np. Quit ).
Jeśli znajdujemy się w menu podrzędnym będącym rozwinięciem opcji z menu głównego, to kombinacja klawiszy Alt + litera wyróżniona ( np. Alt + Q ) uruchamia od razu żądaną opcję z menu głównego.
- działanie poszczególnych opcji menu głównego

• Quit - kończy działanie programu. Operator musi jeszcze potwierdzić swą wolę odpowiadając twierdząco na pytanie :
  Exit from PC-PID ?
  Zakończenie pracy nie jest możliwe, jeśli realizowany jest właśnie program obróbki termicznej ( zob. Program )
• View - steruje wyświetlaniem stanu programu i rysowaniem wykresu zmian temperatury w czasie
• View/Temp. - włącza okienka z wartościami liczbowymi temperatury, mocy grzania, setpointu końcowego i chwilowego oraz trybu pracy PC-PIDa i stanu realizacji programu temperaturowego.
  Wybranie tej opcji jest warunkiem koniecznym do wykonywania się programu temperaturowego ( zob. Program ).
  Jeśli operator przez 14 sekund nie nacisnął żadnego klawisza ani nie ruszył myszą, to PC-PID samoczynnie uruchomi opcję View/Temp.
  Zakończenie działania opcji View/Temp. następuje po naciśnięciu dowolnego klawisza klawiatury - myszą tego zrobić nie można.
• View/sCan - pozwala na "przeglądanie" wykresu temperatury w czasie przy użyciu ruchomego markera. W otworzonym okienku wyświetla się numer zarejestrowanego punktu (Point), czas rejestracji w minutach (Time) od chwili włączenia opcji View/sCan, temperatura (Temper) i różnica (Error) między temperaturą rzeczywistą, a zadaną.
  Marker może być poruszany myszą lub klawiszami kursorowymi <- , ->.
  Jednoczesne naciśnięcie klawiszy CTRL + <- lub CTRL + -> przyspiesza ruch markera.
  Skanowanie kończy się naciskając ESC albo ENTER albo dowolny klawisz myszy.
• View/tiMe - ustala, jak długi odcinek czasu ma być obrazowany wykresem na ekranie. Minimalna wartość czasu to 15 minut. Niezależnie od zadanej długości PC-PID zapamiętuje 985.6 minut historii przebiegu temperatury i maksymalnie tyle można zobrazować wykresem. Wcześniejsze punkty są usuwane z pamięci.
  Po uaktywnieniu opcji pojawia się pytanie : New Value = 15.0
  
  Jeśli wciśniemy ENTER lub lewy klawisz myszy, to potwierdzimy wartość domyślną proponowaną przez program. Gdy zaczniemy pisać własną liczbę, wartość domyślna zniknie z ekranu. Możemy też rozpocząć poprawianie proponowanej wartości używając klawiszy edycyjnych <- , -> , Home, End, F1, F3, Delete, Backspace.
  Podanie wartości spoza dopuszczalnego zakresu sygnalizowane jest wyświetleniem okienka z napisem : Parameter Out of Range !
  
  Wpisanie ciągu znaków nie będącego liczbą skutkuje pojawieniem się okienka z napisem : Invalid Numerical Format !
  
  W obu powyższych przypadkach dotychczasowa wartość parametru pozostaje zachowana.
• pId - ustawia parametry PID dla potrzeb automatycznej regulacji temperatury
  • pId/Proportional<0..100>[ %/°C ]
  • pId/Integral <1..999>[ s ]
  • pId/Derivative <0..240>[ s ]

  Po uaktywnieniu poszczególnych opcji można zmieniać wartości w sposób podobny, jak dla View/tiMe. Szerzej o tych parametrach pomówimy w dalszej części niniejszej instrukcji.

• Setpoint - określa wartość stabilizowanej temperatury i prędkość grzania lub chłodzenia pieca.
• Setpoint/Local - ustala wartość temperatury do jakiej chcemy zagrzać, bądź schłodzić piec. Zakres dopuszczalnych temperatur zależy od konstrukcji pieca i rodzaju czujnika. Dla ułatwienia obsługi pojawiają się dwie dodatkowe "opcje" Setpoint/high i Setpoint/low, których nie można zmienić. Informują one operatora o zakresie stabilizowanych przez tę wersję PC-PIDa temperatur.
• Setpoint/Slope - określa prędkość grzania lub chłodzenia pieca w stopniach Celsjusza na minutę. Technicznie jest to realizowane w ten sposób, że temperatura jest stabilizowana wokół setpointu roboczego, którego wartość zmienia się w czasie z prędkością slope w kierunku setpointu lokalnego. Po zrównaniu się wartości setpointu roboczego z setpointem lokalnym ruch ten zostaje zatrzymany.
• pOwer - ustawia parametry związane z mocą dostarczaną do pieca
• pOwer/Current - w trybie sterowania ręcznego ( zob. Action ) operator może ustawić dowolną moc dostarczaną do pieca. Moc wyraża się w procentach mocy maksymalnej z dokładnością do 1%.
  

  Regulacja mocy polega na zmianie stosunku czasów włącz/wyłącz prądu w grzejniku ( tzw. sterowanie grupowe ). Okres regulacji wynosi 5.5 sekundy. 100% mocy oznacza, że klucz tyrystorowy jest włączony bez przerwy i prąd w grzejniku płynie cały czas. 0% mocy oznacza całkowite wyłączenie prądu w grzejniku. 50% mocy powoduje, że prąd w grzejniku jest cyklicznie włączany i wyłączany na czas 2.75 sekundy.
  

  Opcja pOwer/Current nie działa w trybach automatycznej regulacji temperatury ( zob. Action ), gdyż obliczaniem mocy odpowiedniej dla utrzymania zadanej temperatury zajmuje się wówczas program PC-PID.

• pOwer/High - określa maksymalną moc, jaką wolno programowi PC-PID dostarczyć do grzejnika w trybach sterowania automatycznego. Ustawienie wartości mniejszej od 100% może być konieczne ze względów konstrukcyjnych pieca. Parametr ten nie ogranicza zakresu mocy możliwych do uzyskania w trybie sterowania ręcznego ( Action/Manual ) !
• pOwer/Low - określa minimalną moc, jaką program PC-PID musi dostarczyć do grzejnika w trybach sterowania automatycznego. Ustawienie wartości większej od 0% może być konieczne ze względów konstrukcyjnych pieca. Parametr ten nie ogranicza zakresu mocy możliwych do uzyskania w trybie sterowania ręcznego ( Action/Manual ) !
• pOwer/Break - określa moc, jaką program PC-PID musi dostarczyć do grzejnika po wykryciu przerwy w obwodzie czujnika ( spalenie termopary, rozerwanie drutów, itp. ). Jeśli program wykryje brak czujnika, to przełącza się w tryb pracy ręcznej i ustawia pOwer/Current = pOwer/Break. Ustawienie wartości większej od 0% może być konieczne ze względów technologicznych, gdy nie można dopuścić do całkowitego wychłodzenia pieca. Parametr ten wymusza moc dostarczaną do grzejnika w trybie sterowania ręcznego po wykryciu uszkodzeniu czujnika ( Action/Manual ) !
• Action - włącza poszczególne tryby pracy programu PC-PID
• tryb Action/Manual - sterowanie ręczne mocą wyjściową
  W tym trybie operator może zadać dowolną moc grzania z zakresu 0-100% mocy maksymalnej ( polecenie pOwer/Current ). Jeśli jednak program wykrył przerwę w obwodzie czujnika, to moc wyjściowa będzie zawsze równa parametrowi ustawionego w opcji pOwer/Break.
• tryb Action/Run - setpoint roboczy dąży z prędkością Slope do zadanego setpointu lokalnego. W tym trybie temperatura jest stabilizowana wokół setpointu roboczego.
• tryb Action/Hold - stabilizowanie temperatury wokół nieruchomego setpointu roboczego. PC-PID przechodzi w ten tryb na żądanie, czyli po wybraniu tejże opcji oraz samoczynnie po zrównaniu się setpointu roboczego z setpointem lokalnym w trybach Action/Run i Action/Selftunning.
• tryb Action/Selftunning - samoczynny dobór nastaw parametrów PID. PC-PID doprowadza z prędkością Slope temperaturę pieca do nastawionego przez operatora setpointu lokalnego, a potem manipulując mocą od minimalnej do maksymalnej mierzy czas trwania jednej pełnej oscylacji temperatury T_osc wokół setpointu lokalnego i wylicza parametry PID ze wzorów Zieglera-Nicholsa :
  T_int = 0.5 * T_osc
  T_der = 0.12 * T_osc
  K_pro = 0.6 *K_kryt
  

  Ponieważ określanie K_kryt jest długotrwałe, a współczynnik ten nie ma bardzo wielkiego wpływu na jakość stabilizacji, w PC-PIDzie zrezygnowano z jego wyznaczania i przyjmuje się Kpro = 3 [%/°C]. Użytkownik może później dostroić precyzyjnie regulator zmieniając tę wartość.

• Program - pozwala na zaprogramowanie wyrafinowanych przebiegów temperatury w czasie. Użytkownik tworzy plik o dowolnej nazwie i standardowym rozszerzeniu .prg W pliku tym zapisuje się za pomocą dowolnego edytora tekstu ciąg poleceń ustalających różnorakie parametry i tryby działania programu PC-PID, oraz programujących okresy oczekiwania na wykonanie tychże działań. Po załadowaniu do PC-PIDa pliku z komendami i uruchomieniu jego interpretacji rozpoczyna się odmierzanie zadanych odcinków czasowych i symulacja naciśnięć klawiszy, co pozwala operatorowi odejść do innej pracy.
• Program/Load - służy do wybrania pliku z komendami sterującymi działaniem PC-PIDa i załadowania jego zawartości do wewnętrznego bufora instrukcji.
  

  Jeśli poprzednio wczytany program z komendami sterującymi nie został uruchomiony, albo jego interpretacja nie dobiegła końca, to operator zostanie o tym poinformowany pytaniem : Erase Old Program ?
  

  Po twierdzącej odpowiedzi na ekranie wyświetla się linijka z pytaniem o nazwę pliku z komendami. Można wpisać tam pełną nazwę pliku, lub użyć nazwy ze znakami globalnymi ( np. *.prg , prog?.prg ).
  Następnie wyświetla się okienko z listą plików, których nazwy spełniają podane kryteria. Użytkownik wybiera z listy myszką, bądź klawiszami kursorowymi żądany plik - jego zawartość zostaje odczytana, rozkodowana i przygotowana do interpretacji.

• Program/Run - uruchamia proces interpretacji komend sterujących. PC-PID zaczyna symulować pracę operatora odczekującego zadane odcinki czasowe i naciskającego odpowiednie klawisze na klawiaturze.
• Program/Stop - wstrzymuje proces interpretacji komend sterujących. Proces ten można wznowić wybierając opcję Program/Run. Chwilowe zatrzymanie interpretacji komend może być przydatne, jeśli np. zaprogramowany odcinek czasu jest zbyt krótki, by PC-PID zdążył wykonać jakąś operację.

• - wartości odchyłki ( parametr PROportional )
• - czasu trwania odchyłki ( parametr INTegral )
• - prędkości zmiany odchyłki ( parametr DERivative )

Algorytm ten daje znakomite rezultaty, gdy temperatura rzeczywista jest bliska temperaturze zadanej ( błąd do kilku % ). Z tego względu nie należy ustawiać zbyt wielkich prędkości narostu temperatury ( Setpoint/Slope ), gdyż termiczna bezwładność pieca i tak nie pozwoli na ich osiągnięcie, a odchyłka temperatury przekroczy dopuszczalne granice.

Trzeba zdawać sobie sprawę, że wymagania, aby piec szybko osiągnął zadaną temperaturę i nie przekroczył jej z rozpędu są sprzeczne. Odpowiedni dobór nastaw PID pozwala na uzyskać przebieg temperatury tzw. aperiodyczny - krytyczny : tj. najszybsze możliwe dla danego pieca dojście do ustalonej temperatury bez wpadania w oscylacje - PC-PID łagodnie doprowadza piec do stanu ustalonego.

Zbyt małe wartości czasu całkowania i różniczkowania, oraz zbyt wielka wartość parametru proporcjonalności PRO powodują silne oscylacje temperatury. Z kolei za duże wartości INT i DER wydłużają czas dochodzenia do równowagi i pogarszają jakość stabilizacji przy silnych zakłóceniach ( otwarcie okna, zmiana napięcia w sieci, etc. ).

Jeśli zamierza się pracować w szerokim zakresie temperatur należy uprzednio przeprowadzić dobór parametrów PID dla kilku temperatur z przedziału. Parametry dynamiczne pieca zmieniają się przy zmianach temperatury. Z reguły, im wyższa temperatura i większe straty ciepła, tym mniejsza bezwładność i piec szybciej reaguje na zmiany mocy grzewczej. Trzeba wtedy zmniejszać wartości INT i DER. Wartość PRO określa się doświadczalnie przez stopniowe jej powiększanie, aż do uzyskania wyraźnych oscylacji temperatury. Jest to tzw. wartość krytyczna. Wartość roboczą oblicza się ze wzoru :

Komendy są to trzyliterowe skróty słów angielskich określających czynność, jaka ma być wykonana przez regulator. Komendy dzielą się na ustawiające parametry i włączające tryby pracy.

Komendy włączające tryby pracy nie wymagają podawania parametrów.

Przykłady realizacji programów grzania/chłodzenia z użyciem komend sterujących

Program temperaturowy czteroetapowy :

Po dojściu setpointu do 300°C PC-PID przełączy się w tryb HOLd i będzie dalej stabilizował 300°C, aż do otrzymania nowych poleceń po upłynięciu zadanego czasu.

Program temperaturowy dwuetapowy

Regulator PID temperatury TERMOS-1 jest urządzeniem przeznaczonym do pracy w warunkach laboratoryjnych. Skonstruowany został z myślą o automatyzacji pomiarów temperaturowych efektu Mossbauera i dyfrakcji rentgenowskiej, lecz może też służyć np. do innych celów, np. stabilizacja temperatury kryształów łamiących promieniowanie RTG, pomiary kalorymetryczne, etc.

Regulator instalowany jest w kasecie CAMAC i składa się z dwóch bloków :

1. - zasilacz mocy budowany indywidualnie do urządzenia użytkownika
2. - regulator właściwy

TERMOS-1 jest mikroprocesorowym urządzeniem współpracującym z dowolnym komputerem wyposażonym w interfejs szeregowy RS-232. Zawiera pierwszorzędne oprogramowanie do emulacji inteligentnego terminala oraz do pomiaru temperatury i sterowania zasilaczem mocy.

TERMOS-1 został wykonany w oparciu o 8-bitowy mikroprocesor MC6502 i 21-bitowy przetwornik A/C typu AD7711. Całość mieści się w module CAMAC podwójnej szerokości.

Komendy pisane na klawiaturze komputera współpracującego są przesyłane łączem szeregowym do kontrolera powodując podjęcie odpowiedniej akcji, np.:

• ustawienie czasu całkowania 120 s .............................. INT 120
• ustawienie prędkości zmian temperatury 1.5o/min .... SLOpe 1.5
• ustawienie wartości temperatury końcowej 300 C ...... STL 300
• uruchomienie programu grzania/chłodzenia ................ RUN
• odczytanie aktualnej mocy grzania .................................. POWer
• przesłanie informacji o stanie sterownika .................... STAtus
• odczytanie ostatnich 3000 pomiarów temperatury ...... WRIte 3000

Pełen zestaw komend składa się z ponad 30 mnemoników pozwalających szczegółowo zaprogramować działanie TERMOSa.

Użytkownik otrzymuje program na komputer sterujący IBM PC, który umożliwia przesyłanie wspomnianych komend i parametrów, odbiór danych oraz ciągłe wyświetlanie aktualnych parametrów pracy, bądź zobrazowanie ich wykresem.

TERMOS-1 zawiera nieulotną pamięć parametrów pracy, dzięki czemu nie trzeba ich zadawać od nowa po każdym wyłączeniu i włączeniu zasilania.

Prócz tego z częstotliwością okresu regulacji mocy zapamiętywana jest historia przebiegu temperatury. Bufor okrężny mieści 10752 ostatnie pomiary.

Specjalnie dla potrzeb temperaturowych pomiarów mossbauerowskich TERMOS-1 wyposażony został w BRAMKĘ CYFROWĄ. Jest ona otwarta tylko wtedy, gdy temperatura mieści się w zaprogramowanym okienku. Przepuszczając przez bramkę impulsy do analizatora mamy pewność, że zliczać je będziemy tylko we właściwej temperaturze.

Sterownik TERMOS-1 jest całkowicie autonomiczny : po zaprogramowaniu i uruchomieniu kontroli temperatury można wyłączyć komputer.

• nastawy parametrów PID :
  • PRO 0 .. 100%/°C
  • INT 0 .. 6553.5 s
  • DER 0 .. 655.35 s
• moc wyjściowa POW 0 .. 100% mocy maks. co 1%
• moc wyjściowa po wykryciu zniszczenia czujnika BPW 0 .. 100%
• sposób regulacji mocy : zmiana stosunku włącz/wyłącz
• okres regulacji mocy : PER 1 .. 65 s
• czujnik temperatury :
  • termopara dowolnego typu
  • opornik Pt-100, Pt-500
  • dowolny inny czujnik oporowy bądź napięciowy określony przez użytkownika
  • na żądanie izolacja galwaniczna czujnika od TERMOSa-1
  • na żądanie wewnętrzna kompensacja temperatury zimnych końców termopary
• pomiar temperatury VAL co 0.01°C
• ustawienie SetPointu STL co 0.01°C
• prędkość zmian temperatury SLO 0 .. 25.5°/min co 0.1°C
• dokładność ustawienia temperatur HGA co 0.01°C
• otwarcia bramki cyfrowej LGA co 0.01°C
• Tryby pracy urządzenia :
  • MAN ręczne sterowanie mocą
  • RUN realizacja programu grzania/chłodzenia
  • HOLd stabilizacja temperatury - wstrzymanie realizacji programu grzania/chłodzenia
  • SLF Self-Tune - samodzielny dobór parametrów PID

TERMOS-1 montuje się w kasecie CAMAC na dowolnym stanowisku z zakresu 1-22. W tej samej kasecie należy zamontować sterownik mocy pieca, bądź kriostatu obsługiwanego przez TERMOS-1. Niezbędny jest też dowolny komputer klasy IBM PC wyposażony w wolny port szeregowy COM1, COM2, COM3 lub COM4. Poprzez ten port następuje komunikacja z regulatorem.

• tryb MANualny - sterowanie ręczne mocą wyjściową
  

  W tym trybie operator może zadać dowolną moc grzania z zakresu 0-100% mocy maksymalnej ( polecenie POW )

• tryb RUN - setpoint roboczy STW dąży z prędkością SLOpe do zadanego setpointu lokalnego STL. W tym trybie temperatura jest stabilizowana wokół setpointu roboczego.
• tryb HOLd - stabilizowanie temperatury wokół stałego setpointu STW
  

  TERMOS-1 przechodzi w ten tryb na żądanie ( komenda HOLd ) oraz po zrównaniu się setpointu roboczego STW z setpointem lokalnym STL.

• tryb SeLF-tunning - samoczynny dobor nastaw parametrów PID.
  

  TERMOS-1 mierzy czas trwania jednej pełnej oscylacji temperatury wokół setpointu lokalnego STL i wylicza parametry PID ze wzoru Zieglera-Nicholsa :
  

  • T_int = 0.5 * T_osc
  • T_der = 0.12 * T_osc
  • K_prop = 0.6 *K_kryt

Algorytmy stabilizujące temperaturę

TERMOS-1 zawiera obydwa te algorytmy. Przełączanie między nimi odbywa się automatycznie, zależnie od chwilowej wartości odchyłki temperatury
dla e > 9% ( na linijce LED obrazującej odchyłkę świeci tylko skrajna czerwona dioda ) działa algorytm SQRT
dla e <= 9% działa algorytm PID
Współczynnik Psq dobiera się niezależnie od współczynnika P w algorytmie PID. Jeśli ustawimy Psq = 0, to algorytm SQRT będzie zablokowany niezależnie od wartości odchyłki temperatury i sterowanie będzie prowadzone wyłącznie algorytmem PID.

Sterowanie mocą grzania

Trzeba zdawać sobie sprawę, że wymagania, aby piec szybko osiągnął zadaną temperaturę i nie przekroczył jej z rozpędu są sprzeczne. Odpowiedni dobór nastaw PID pozwala na uzyskać przebieg temperatury tzw. aperiodyczny - krytyczny, tj. najszybsze możliwe dla danego pieca dojście do ustalonej temperatury bez wpadania w oscylacje. Zaimplementowany w sterowniku TERMOS-1 algorytm pierwiastkowy skraca wydatnie początkowy okres narastania temperatury, zaś późniejszy PID łagodnie doprowadza piec do stanu ustalonego.

Komendy sterujące są to trzyliterowe skróty słów angielskich określających czynność, jaka ma być wykonana przez regulator. Komendy dzielą się na ustawiające parametry i sterujące pracą.

TERMOS-1 może mierzyć temperaturę za pomocą wielu różnych czujników : termopar, oporników platynowych, termistorów etc. W pamięci stałej TERMOSa zapamiętane są charakterystyki kilku typowych czujników :

termopary
PtRh10	CFG 1
Chromel-Alumel	CFG 3
Fe-konstantan	CFG 4
Cu-konstantan	CFG 5

Użytkownik określa konfigurację TERMOSa wydając polecenie CFG
Jeśli poda przy tym numer konfiguracji, to musi jeszcze potwierdzić swą wolę odpowiadając na pytanie : Are You sure (Y/N) ?
Następuje wtedy restart TERMOSa-1 i włącza się procedura kalibracji zera toru pomiarowego. Należy wówczas :

1. zewrzeć zaciski wejściowe czujnika, najlepiej przygotowaną "wtyczką kalibrującą".
2. jeśli TERMOS-1 zaopatrzony jest w układ kompensacji temperatury zimnego końca termopary, to należy wyzerować to napięcie kompensujące przez przełożenie odpowiedniej zworki na płytce drukowanej.
3. wcisnąć dowolny klawisz w komputerze sterującym
4. odczekać przewidziany czas na ustalenie się napięć
5. dołączyć nowy czujnik, ew. wybrać nowe napięcie kompensujące temperaturę zimnego końca termopary.

Do komunikacji z TERMOSem-1 służy napisany w jezyku Borland Pascal 7.0 program o nazwie TERMOS.exe Oprócz możliwości wydawania poleceń pozwala on na monitorowanie stanu regulatora oraz na odczyt i wykreślenie historii temperatury zapamiętanej w TERMOSie.

• POW - POWer - komenda służy do odczytania lub zadania aktualnej mocy grzania. Moc wyraża się w procentach mocy maksymalnej z dokładnością do 1%. w zakresie 0 - 100%. Moc maksymalna zależy od konstrukcji zasilacza i grzejnika zgodnie ze wzorem : P = U*U/R , gdzie U - napięcie zasilajace grzejnik, R - oporność grzejnika. W trybie sterowania ręcznego ( MANual ) użytkownik może zadać dowolną moc grzania. W trybach sterowania automatycznego ( RUN, HOLd, SLF ) moc jest dobierana przez TERMOSa w taki sposób, by spełnione były zadania danego trybu. Dodatkowo operator może ograniczyć zakres mocy dopuszczalnych dla trybów automatycznych przy pomocy komend LPW i HPW. Jest to istotne, np. gdy zimny grzejnik może ulec przepaleniu po przyłożeniu pełnej mocy.
• HPW - High Power - komenda służy do odczytania lub zadania maksymalnej wartości mocy, jaka może być przyłożona do grzejnika w trybach sterowania automatycznego. Moc wyraża się w procentach mocy maksymalnej z dokładnością do 1%. w zakresie 0 - 100%. Komenda ta nie ogranicza zakresu mocy możliwych do uzyskania w trybie sterowania ręcznego ( MANual ) !
• LPW - Low Power - komenda służy odczytania lub zadania minimalnej wartości mocy, jaka może być przyłożona do grzejnika w trybach sterowania automatycznego. Moc wyraża się w procentach mocy maksymalnej z dokładnością do 1%. w zakresie 0 - 100%. Komenda ta nie ogranicza zakresu mocy możliwych do uzyskania w trybie sterowania ręcznego ( MANual ) !
• BPW - Power at Sensor Break - komenda służy odczytania lub zadania wartości mocy, jaka winna być przyłożona do grzejnika w trybach sterowania automatycznego po wykryciu spalenia czujnika temperatury. Moc wyraża się w procentach mocy maksymalnej z dokładnością do 1%. w zakresie 0 - 100%. Zazwyczaj ustawia się BPW=0, jednakże w pewnych procesach technologicznych może być niedopuszczalnym pełne wychłodzenie pieca, nawet w razie awarii. Wówczas operator zadaje niewielką moc BPW. Komenda ta nie ogranicza zakresu mocy możliwych do uzyskania w trybie sterowania ręcznego ( MANual ) !
• PER - Period - komenda służy odczytania lub zadania okresu regulacji mocy oraz okresu zapamiętywania historii temperatury. Podaje się ją z dokładnością do 1 s w zakresie 1-65 s. Regulacja mocy zachodzi metodą sterowania grupowego, tj. zmiany stosunku włącz/wyłącz pełnej mocy grzewczej. Suma czasów, gdy moc jest włączona i gdy moc jest wyłączona równa jest zadanej wartości PER. Wartość tę należy dobrać uwzględniając bezwładność cieplną pieca : im większa bezwładność, tym dłuższy okres PER. Korzystnie jest też zadawać wartości parzyste, aby symetrycznie obciążać sieć prądu zmiennego ( parzysta ilość połówek sinusoidy ). W trybach sterowania automatycznego niezbędną do założonych celów moc oblicza się z algorytmu PID z okresem = PER. Prawidła doboru tego okresu są takie same, jak przed chwilą podane.
• LGA - Low Level for Gate Open - komenda służy do odczytania lub zadania minimalnej wartości temperatury, powyżej której otwarta będzie bramka cyfrowa w TERMOSie. Temperaturę wyraża się w stopniach Celsjusza bądź Kelvina z dokładnością do 0.01 w zakresie 0 - 9999. Bramkę tę można wykorzystać np. w pomiarach efektu Mossbauera, gdy chcemy mieć pewność, że pomiar nie będzie prowadzony w temperaturach nie mieszczących się w wymaganym zakresie.
• HGA - High Level for Gate Open - komenda służy do odczytania lub zadania maksymalnej wartości temperatury, poniżej której otwarta będzie bramka cyfrowa w TERMOSie. Temperaturę wyraża się w stopniach Celsjusza bądź Kelvina z dokładnością do 0.01 w zakresie 0 - 9999. Bramkę tę można wykorzystać np. w pomiarach efektu Mossbauera, gdy chcemy mieć pewność, że pomiar nie będzie prowadzony w temperaturach nie mieszczących się w wymaganym zakresie.
• VAL - Temperature Value - komenda służy do odczytania wartości aktualnej temperatury. Temperaturę wyraża się w stopniach Celsjusza bądź Kelvina z dokładnością do 0.01 w zakresie 0 - 9999.
• ERR - Temperature Error - komenda służy do odczytania wartości różnicy między temperaturą aktualną, a stabilizowaną. Różnicę wyraża się w stopniach Celsjusza bądź Kelvina z dokładnością do 0.01 w zakresie 0 - 9999. W trybie pracy ręcznej ( MANual ), gdy nie stabilizuje się temperatury, wartość ERR jest zawsze równa 0. W trybach automatycznych ERR = VAL - STW.( ERR > 0 oznacza przegrzanie, a ERR < 0 - niedogrzanie ).
• CEL - Celsjusz - komenda służy do zadania sposobu podawania przez TERMOSa wartości temperatury w komendach z nią związanych ( VAL, LGA, HGA, STW, STL, LST, HST, WRI ).
• KEL - Kelvin - komenda służy do zadania sposobu podawania przez TERMOSa wartości temperatury w komendach z nią związanych ( VAL, LGA, HGA, STW, STL, LST, HST, WRI ).
• WRI - Write Data - komenda służy do odczytu zapamiętanych przez TERMOSa wartości historii temperatury. Jako parametr komendy podaje się, ile ostatnio zebranych wartości ma być przesłanych. TERMOS przesyła tyle wartości, ile zażądano, a potem jeszcze te wartości, które zdążył zapamiętać w trakcie transmisji. Ostatnia przesłana wartość jest aktualną temperaturą. Jeśli nie poda się parametru komendy, bądź jest on większy od pojemności bufora TERMOSa ( 10752 dane ), to przesłana zostanie cała zawartość bufora + wartości zapamiętane w trakcie transmisji.
• OSC - Oscillation - komenda służy do odczytania okresu oscylacji temperatury wokół roboczego Setpointu STW. Wartość podawana jest w sekundach. Komenda jest przydatna podczas badania charakterystyk dynamicznych pieca dla właściwego dobrania parametrów regulacji PID.
• STL - Setpoint Local - komenda służy do odczytania lub zadania temperatury końcowej, którą winien stabilizować TERMOS. Wartość podaje się, w zależności od przyjętego sposobu pracy ( CEL, KEL ), w stopniach Celsjusza bądź Kelvina z dokładnością do 0.01°. Dopuszczalny zakres temperatur zależy od używanego czujnika temperatury i może być odczytany przy pomocy komend LST i HST.
• HST - High Value for Setpoint - komenda służy do odczytania maksymalnej wartości stabilizowanej temperatury końcowej ( Setpointu STL ). Wartość podawana jest, w zależności od przyjętego sposobu pracy ( CEL, KEL ), w stopniach Celsjusza bądź Kelvina, z dokładnością do 0.01°. Wartość ta zależy od używanego czujnika temperatury i jest zaprogramowana na stałe w TERMOSie.
• LST - Low Value for Setpoint - komenda służy do odczytania minimalnej wartości stabilizowanej temperatury końcowej ( Setpointu STL ). Wartość podawana jest, w zależności od przyjętego sposobu pracy ( CEL, KEL ), w stopniach Celsjusza bądź Kelvina, z dokładnością do 0.01°. Wartość ta zależy od używanego czujnika temperatury i jest zaprogramowana na stałe w TERMOSie.
• STW - Setpoint Working - komenda służy do odczytania wartości stabilizowanej w danym momencie temperatury. Wartość podawana jest, w zależności od przyjętego sposobu pracy ( CEL, KEL ), w stopniach Celsjusza bądź Kelvina, z dokładnością do 0.01°. W trybie pracy ręcznej ( MANual ) setpoint roboczy ( STW ) pokrywa się z aktualnie zmierzoną temperaturą. W trybie pracy automatycznej RUN setpoint roboczy STW porusza się z prędkością SLOpe w kierunku setpointu końcowego STL. TERMOS stabilizuje temperaturę wokół chwilowych wartości STW. W każdej chwili operator może zatrzymać wędrówkę setpointu roboczego komendą HOLd i wznowić ją komendą RUN. Po zrównaniu się wartości setpointu roboczego STW z setpointem końcowym STL następuje samodzielne przełączenie się TERMOSa w tryb HOLd i stabilizacja temperatury STW = STL.
• SLO - SLOpe - komenda służy do odczytania lub zadania prędkości zmiany stabilizowanej temperatury, tj. setpointu roboczego STW, podczas pracy w trybie automatycznym RUN. Wartość podaje się w stopniach Kelvina na minutę z dokładnością do 1°/min w zakresie 0-255 °/min. Zazwyczaj prędkość zmian temperatury rzeczywistej jest zbliżona do wartości zadanej SLOpe, choć występuje pewne opóźnienie względem ruchomego setpointu roboczego. Im szybciej porusza się STW, tym większe jest to opóźnienie.
• PRO - PROportional Band - komenda służy do odczytania lub zadania wartości parametru proporcjonalności używanego w algorytmie PID. Wartość podaje się w procentach mocy na stopień odchyłki temperatury [ %/° ] w zakresie 0 - 100 %/° z dokładnością do 0.01%/°
• INT - Integration Time - komenda służy do odczytania lub zadania wartości czasu całkowania odchyłki temperatury w algorytmie PID. Wartość podaje się w sekundach w zakresie 0 - 6553.5 s z dokładnością do 0.1 s
• DER - Derivation Time - komenda służy do odczytania lub zadania zadania wartości czasu różniczkowania odchyłki temperatury w algorytmie PID. Wartość podaje się w sekundach w zakresie 0 - 655.35 s z dokładnością do 0.01s
• PSQ - PROportional Band for Square Root Algorithm - komenda służy do odczytania lub zadania wartości parametru proporcjonalności używanego w algorytmie pierwiastkowym. Wartość podaje się w procentach mocy na pierwiastek kwadratowy z odchyłki temperatury [ %/° ] w zakresie 0 - 25.5 %/° z dokładnością do 0.1%/°. Wartość PSQ = 0 wyłącza algorytm pierwiastkowy i sterowanie odbywa się wyłącznie algorytmem PID.
• STA - Status - komenda służy do odczytania aktualnego stanu TERMOSa. Jako odpowiedź otrzymuje się 2 litery określające kolejno :
  • - tryb pracy
    • M - MANually - sterowanie ręczne
    • R - RUNning - programowy narost temperatury
    • H - HOLding - stabilizacja stełej temperatury
    • S - SelfTunning - samodzielny dobór parametrów PID
  • - sposób podawania wartości temperatury
    • C - CELsjusz
    • K - KELvin
• IID - Instrument Identify - komenda służy do odczytania numeru fabrycznego TERMOSa
• CFG - Configuration - komenda służy do odczytania lub zaprogramowania numeru konfiguracji TERMOSa. Numer jest liczbą z zakresu 1-10 określającą typ czujnika temperatury wg. poniższego zestawienia :
  

  CFG 1	PtRh10
  CFG 2	zarezerwowane
  CFG 3	Chromel-Alumel
  CFG 4	Fe-konstantan
  CFG 5	Cu-konstantan
  CFG 6	zarezerwowane
  CFG 7	zarezerwowane
  CFG 8	Pt100 - kriostat azotowy
  CFG 9	zarezerwowane
  CFG 10	CLTS - kriostat helowy

• MAN - MANually - komenda służy do przełączenia TERMOSa w tryb pracy ręcznej. W tym trybie TERMOS nie stabilizuje temperatury. Operator może zadać dowolną moc grzania z zakresu 0 - 100%. Uszkodzenie czujnika temperatury, przegrzanie obiektu, bądź jego przechłodzenie powoduje samoczynne przełączenie TERMOSa w tryb MAN połączone z ustawieniem mocy grzania na poziomie BPW.
• RUN - Run Program - komenda służy do przełączenia TERMOSa w tryb pracy automatycznej. W tym trybie TERMOS zmienia setpoint roboczy STW z szybkością ustaloną parametrem SLOpe w kierunku setpointu końcowego STL i stara się stabilizować temperaturę wokół STW. W każdej chwili operator może przejść do pracy ręcznej ( MANually ), albo zatrzymać ruch setpointu roboczego ( HOLd ), względnie zażądać samostrojenia parametrów PID ( SLF ). Po zrównaniu się setpointu roboczego STW z setpointem końcowym STL następuje samoczynne przejście TERMOSa w tryb HOLd.
• HOL - Hold Temperature - komenda służy do przełączenia TERMOSa w tryb pracy automatycznej. W tym trybie TERMOS nie zmienia setpointu roboczego, lecz stara się stabilizować temperaturę wokół niego. W każdej chwili operator może przejść do pracy ręcznej ( MANually ), albo uruchomić ruch setpointu roboczego ( RUN ), względnie zażądać samostrojenia parametrów PID ( SLF ).
• SLF - Self Tunning - komenda służy do przełączenia TERMOSa w tryb pracy automatycznej. W tym trybie TERMOS, używając bieżących nastaw parametrów PRO, INT, DER, SLO, dąży z setpointem roboczym STW do setpointu końcowego STL, a potem stara się wprowadzić silne wahania temperatury wokół niego. W każdej chwili operator może przejść do pracy ręcznej ( MANually ), albo wstrzymać ruch setpointu roboczego ( HOLd ), względnie zrezygnować z samostrojenia ( RUN ). Mierząc okres drgań temperatury jest się w stanie określić odpowiednie wartości współczynników całkowania ( INT ) i różniczkowania ( DER ) dla algorytmu PID. W celu "rozhuśtania" pieca zerowany jest parametr DER i zmniejszany do minimum parametr INT. Po wykonaniu jednej pełnej oscylacji obliczane są wartości INT i DER ze wzorów Zieglera-Nicholsa. Optymalną wartość współczynnika PRO operator musi dobrać samodzielnie, gdyż jej doświadczalne wyznaczanie jest bardzo czasochłonne.
  Po zakończeniu samostrojenia TERMOS przełącza się w tryb HOLd i stabilizuje temperaturę STW z użyciem nowo wyznaczonych parametrów PID.

• CEL - temperatura podawana w stopniach Celsjusza
• STL 300 - końcowa wartość temperatury = 300°C
• SLO 9 - prędkość narastania setpointu roboczego =9°/min
• RUN - rozpoczęcie stabilizacji z ruchomym setpointem

• STL 400
• SLO 20
• RUN

• STL 180
• SLO 1
• RUN

• MAN - sterowanie ręczne TERMOSem
• POW 0 - moc grzania = 0%

• CEL - temperatura podawana w stopniach Celsjusza
• STL 400 - końcowa wartość temperatury = 400°C
• SLO 50 - prędkość narastania setpointu roboczego =50°/min
• SLF - rozpoczęcie samostrojenia z początkowo ruchomym setpointem

Zbyt małe wartości czasu całkowania i różniczkowania, oraz zbyt wielka wartość parametru proporcjonalności PRO powodują silne oscylacje temperatury. Z kolei za duże wartości INT i DER wydłużają czas dochodzenia do równowagi i pogarszają jakość stabilizacji przy silnych zakłóceniach ( otwarcie okna, zmiana napięcia w sieci, etc. ).Jeśli zamierza się pracować w szerokim zakresie temperatur należy uprzednio przeprowadzić dobór parametrów PID dla kilku temperatur z przedziału. Należy zdać sobie sprawę, że parametry dynamiczne pieca zmieniają się przy zmianach temperatury. Z reguły, im wyższa temperatura i większe straty ciepła, tym mniejsza bezwładność i piec szybciej reaguje na zmiany mocy grzewczej. Trzeba wtedy zmniejszać wartości INT i DER. Wartość PRO określa się doświadczalnie przez stopniowe jej powiększanie, aż do uzyskania wyraźnych oscylacji temperatury. Jest to tzw. wartość krytyczna. Wartość roboczą oblicza się ze wzoru :

Program do automatycznych pomiarów temperaturowych, mossbauerowskich

Program TER&MOS.exe został napisany w języku BORLAND PASCAL 7.0 Służy głównie do przeprowadzania serii pomiarów temperaturowych z wykorzystaniem regulatora TERMOS-1 i przelicznika MOSIEK. Dzięki przyjętej koncepcji interpretera komend jest on bardzo elastyczny i znajduje zastosowanie we wszelkich pracach z tymi urządzeniami.

1. Zasada działania

Algorytm pracy programu zapisany jest w oddzielnym pliku dyskowym przy pomocy dwu-lub czteroliterowych komend z parametrami. Określają one 4 podstawowe czynności wykonywane przez program :

• T:łańcuch_znaków
  wysłanie łańcucha znaków do TERMOSA

  M:łańcuch_znaków

  wysłanie łańcucha znaków do MOŚKA

  WAIT łańcuch_znaków

  odczekanie czasu zadanego łańcuchem znaków

  SAVE łańcuch_znaków

  zapisanie danych mossbauerowskich do pliku o zadanej łańcuchem znaków nazwie

• T:KEL
  temperatura w Kelvinach

  T:SLO 3

  szybkość zmian 3°K/min

  T:STL 90

  setpoint = 90°K

  T:LGA 89.5

  dolny próg bramki 89.50°K

  T:HGA 90.5

  górny próg bramki 90.50°K

  T:RUN

  start najazdu temperatury

  M:Clear

  zerowanie danych w MOŚKU

  M:y

  potwierdzenie zerowania danych

  WAIT 30

  odczekanie, aż temperatura narośnie

  M:Run

  uruchomienie zliczania danych

  WAIT 45

  odczekanie czasu pomiaru

  M:Write

  ściągnięcie danych z MOŚKA

  SAVE dane.1

  zapisanie danych na dysk

  T:STL 80

  nowy setpoint

  T:LGA 79.5

  nowe nastawy bramki temperaturowej

  T:HGA 80.5

  T:RUN

  start najazdu temperatury

  M:Clear

  zerowanie danych w MOŚKU

  M:y

  potwierdzenie zerowania danych

  WAIT 20

  odczekanie, aż temperatura narośnie

  M:Run

  uruchomienie zliczania danych

  WAIT 45

  odczekanie czasu pomiaru

  M:Write

  ściągnięcie danych z MOŚKA

  SAVE dane.2

  zapisanie danych na dysk

Program skanujący uruchamia się komendą SCAN. Jest to nazwa pliku batchowego, który przed uruchomieniem właściwego programu TER&MOS przechodzi do roboczego katalogu, gdzie będą zapisywane dane pomiarowe.
Menu główne zawiera następujące pozycje rozwijane do podmenu :

• File / Load - ładowanie pliku z danymi mossbauerowskimi w celu ich obejrzenia
• File / Save - zapis danych mossbauerowskich do pliku dyskowego
• File / Edit - edycja pliku z danymi mossbauerowskimi
• File / Dos - chwilowe wyjście do systemu DOS bez usuwania programu z pamięci
• File / eXit - zakończenie pracy z programem
  
• Data / Fold - złożenie widma mossbauerowskiego
• Data / Scan - "przeglądanie" wykresu przy pomocy ruchomego markera
• Data / Zoom - powiększanie fragmentów wykresu historii temperatury
• Data / Vconst - określanie obszarów danych do wyliczania efektu przy pomiarach ze stałą prędkością
  
• Mosiek / Moss_1 ..... Moss_8 - wybór MOŚKA do sterowania ręcznego
  
• Termos / Setup - ręczne sterowanie TERMOSEM
• Termos / History - odczytanie z TERMOSA historii temperatury
  
• Program / Load - załadowanie pliku z komendami do pracy automatycznej
• Program / Run - uruchomienie interpretacji komend
• Program / Stop - zatrzymanie zatrzymanie interpretacji komend
  
• Status - wyświetlanie na bieżąco stanu TERMOSa i postępów w interpretacji komend

Opcja Status włącza się samoczynnie, jeśli przez 14 sekund żaden klawisz nie został naciśnięty, ani nie była użyta myszka.
Interpretacja komend może zachodzić tylko wtedy, gdy Status jest włączony.

4. Jak rozpocząć pracę automatyczną ?

1. przygotować plik z komendami
2. uruchomić program skanujący SCAN
3. załadować plik z komendami Program / Load
4. wybrać MOŚKA, który będzie uczestniczył w pomiarze Moss_1 ..... Moss_8
5. określić rodzaj prędkości wibratora Sinus / Line / Const
6. uruchomić interpretację komend Program / Run

W trakcie pracy automatycznej można używać wszystkich poleceń z menu programu, aczkolwiek może to być niebezpieczne dla jakości pomiaru ( np. przypadkowe zatrzymanie MOŚKA, zmiana setpointu ). Dopuszczalne jest chwilowe wyjście do systemu DOS ( File / Dos ), lecz nie wolno zapomnieć o powrocie do programu poleceniem systemowym EXIT !
W przeciwnym wypadku interpretacja komend zostanie zatrzymana i pomiar nie będzie kontynuowany.