Spis treści

Teraz kwestia jedna z najważniejszych w całym układzie - skąd mikrokontroler ma wiedzieć, że w tej chwili gaz należy zasysać i kiedy to zasysanie przerwać. Trochę się nad tą kwestią zastanawiałem i doszedłem do wniosku, że jeśli gaz będzie powstawał w zamkniętej przestrzeni np. reaktora w którym będzie zachodził proces fermentacji metanowej i ten gaz doprowadzimy poprzez zawór do strzykawki, to podczas wydzielania gazu ciśnienie zacznie wzrastać.

 

Jeśli zastosujemy sensor ciśnienia, który będzie doprowadzał do mikrokontrolera sygnał proporcjonalny do ciśnienia panującego w układzie to na tej podstawie można napisać algorytm, który zacznie generować sygnał taktujący sterownik silnika dopiero w momencie wzrostu ciśnienia i przestanie po spadku ciśnienia do jakiegoś określonego poziomu. Ciśnienie zacznie spadać bo po wysunięciu tłoka objętość układu powiększy się, w taki sposób uzyskamy możliwość zasysania do układu pomiarowego produkowany gaz na bieżąco.


Fot. 5 Różnicowy czujnik ciśnienia podczas pierwszego uruchomienia.

Rozwiązanie w teorii zapowiadało się całkiem ciekawie, by przejść do praktycznego sprawdzenia metody musiałem zdobyć czujnik ciśnienia, który możliwie jak najprościej będę mógł zaimplementować w moim projekcie. Zacząłem więc przeszukiwać Internet aż znalazłem ciekawe czujniki produkowane przez firmę Mikrochip. W ich ofercie znajduje się dziesiątki przeróżnych czujników w różnych wykonaniach i na różne zakresy ciśnień, od całkiem znikomych do nawet kilkuset kilopaskali.

Oczywiście poszukiwania mogłem od razu zawęzić do tych o niskim zakresie pomiarowym, ale na tym etapie jeszcze nie wiedziałem jaki dokładnie zakres będzie optymalny. Poza tym ceny tych czujników skutecznie mnie odstraszyły i gdyby nie fakt, że firma Mikrochip wysyła darmowe próbki przyszłość projektu mogła stanąć pod dużym znakiem zapytania. Złożyłem więc zamówienie na kilka czujników o różnych zakresach pomiarowych i ku mojemu wielkiemu zdziwieniu w niecały tydzień kurier był już u mnie. Jeden z takich czujników znajduje się na zdjęciu nr 5.

W czasie poszukiwań odpowiedniego czujnika pojawił się kolejny problem: względności pomiaru. Czy lepiej będzie mierzyć ciśnienie w układzie względem ciśnienia atmosferycznego, czy może lepiej względem wylotu, na którym przecież może zachodzić potrzeba sprężania zebranego gazu np. w balonie i tam ciśnienie też będzie wzrastać. Jeśli będę mierzył w takim przypadku ciśnienie względem ciśnienia atmosferycznego układ nie będzie pracował poprawnie. Wszystkie czujniki zamówiłem więc w technologii dwuportowej tzn. czujnik taki ma dwa wejścia ciśnienia, dzięki czemu możemy zachować względność pomiaru doprowadzając z drugiej strony ciśnienie względem którego mamy dokonywać pomiaru.


Fot. 6 Zasada działania różnicowego czujnika ciśnienia w technologii pojemnościowej.

Budowę takiego dwuportowego czujnika przedstawiłem na rys. nr 6. Metody wykonywania czujników i ich zasada działania jest różna dla różnych technologii stosowanych na różne zakresy ciśnień. Przy ciśnieniach tak małych jak w naszym układzie wykorzystuje się czujniki pojemnościowe. Na powierzchni elastycznej membrany, która wybrzusza się pod wpływem ciśnienia w komorze napylona jest elektroda, która pod wpływem ugięcia zmienia swoją odległość od drugiej, zamontowanej na stałe elektrody i tym samym zmienia się pojemność tak zbudowanego kondensatora.

Zmiana pojemności jest proporcjonalna do panującego ciśnienia. Jeżeli z drugiej strony podamy inne ciśnienie względem którego chcemy dokonać pomiaru to wynik będzie różnicą pomiędzy tymi ciśnieniami. Taki czujnik zawiera już w swojej strukturze odpowiednią elektronikę, dzięki której mamy na wyjściu sygnał napięciowy proporcjonalny do ciśnienia.

Fot. 7 Test czujnika ciśnienia - ciśnienie różnicowe równe 0.

Zdjęcie nr 7 przedstawia test czujnika o symbolu MPXV7002DP. Po włączeniu zasilania 5 V na wyjściu mamy napięcie ok. 2,5 V sygnalizujące ciśnienie różnicowe 0. Teraz jeśli podamy ciśnienie do wejścia P1 napięcie na wyjściu zacznie wzrastać aż do 5 V przy osiągnięciu 2 kPa czyli zakresu maksymalnego. Zakres 2,5 do 0 V będzie na wyjściu dla ciśnienia P2 od 0 do 2 kPa lub też dla P1 w zakresie od 0 do - 2 kPa, dzięki czemu możemy takim czujnikiem mierzyć podciśnienie.

Do tego drugiego portu postanowiłem więc doprowadzić ciśnienie na wylocie układu pomiarowego i dzięki temu w przypadku gromadzenia gazu pod ciśnieniem możemy zapewnić rozpoczęcie zasysania przez strzykawkę dopiero po przekroczeniu ciśnienia na wyjściu. Myślę, że w tym miejscu potrzebny będzie rysunek Nr 8 koncepcji działania układu.

Na przedstawionym schemacie możemy zobaczyć w jaki sposób urządzenie zasysa produkowany gaz, jeszcze co prawda nie mierzy, ale o tym w następnym punkcie. Po włączeniu urządzenia przetwornik A/C mikrokontrolera z dużą częstotliwością będzie próbkował sygnał pochodzący z czujnika. Teraz jeśli napisany algorytm wykryje, że ciśnienie się powiększyło o wartość zaprogramowaną, uruchomi generator, który poda impulsy do sterownika silnika krokowego, co w rezultacie spowoduje wysunięcie tłoka.

Po wysunięciu tłoka ciśnienie spadnie i algorytm wyłączy generator. Podczas testów okazało się, że do układu należy zaimplementować możliwość zadania wartości ciśnienia przy jakim nastąpi zasysanie i histerezy czyli różnicy pomiędzy ciśnieniem rozpoczęcia i zatrzymania. Bez histerezy załączał się i wyłączał bardzo często. Gdy wprowadziłem te dwie możliwości mogłem ustawić wartość ciśnienia rozpoczęcia zasysania np. 0,8 kPa i histerezę np. 0,4 kPa, czyli tłok zaczynał wysuwać się po wzroście ciśnienia do 0,8 kPa i zatrzymywał po spadku do 0,4 pobierając kolejną porcję wyprodukowanego gazu.

 

Zobacz nasze oferty na Allegro