Подготовка прибора
В отличие от множества измерительных приборов, LakeShore не поставляется в готовом виде и не может быть использован сразу после распаковки ящика. Даже для тестового включения и проверки прибора придётся поработать руками.
Для нормальной работы прибору надо иметь возможность повышать температуру образца. Печка не входит в комплект поставки и её надо изготовить и подключить самостоятельно, внимательно прочитав руководство. Считается, что при выключенной печке образец должен активно охлаждаться и понижать свою температуру. Как это обеспечить - забота пользователя. Кроме печки, необходимо купить и подключить к термоконтроллеру датчик температуры из числа тех, которые поддерживаются изготовителем прибора. В противном случае его придётся градуировать самостоятельно.
Образец, печку и датчик лучше помещать как можно ближе друг к другу и монтировать на основе с большой теплопроводностью, например на медной болванке.
После того, как монтаж аппаратной части будет закончен, нужно настроить прибор для работы в установке. Основные этапы настройки в меню LakeShore:
- Прибор имеет два входа для датчиков температуры (A и B) и два управляющих контура (loop1 и loop2). Необходимо указать, какой вход и какой контур реально используется.
- Нужно указать тип температурного датчика и градуировочную кривую для него. Возможно, придётся создать новую кривую с реперными точками изготовителями датчика. Не забудьте указать единицы измерения по каналу для точки установки температуры (set point) и индикации текущей - в градусах Кельвина.
- Настройка параметров связи с компьютером. Обычно достаточно указать номер прибора в интерфейсе IEEE488 (русское название КОП) или оставить номер как есть, если нет конфликтов. Обязательно проверьте наличие связи в оболочке Agilent IO Control и назначьте термоконтроллеру имя T, подробнее в разделе подключение цифровых приборов к компьютеру.
После запуска программы управления термоконтроллером и до завершения её работы запрещается ручное управление термоконтроллером LakeShore и запуск сторонних программ для работы с ним, не входящих в комплекс. Это может привести к потере данных и даже порче оборудования.
Это основные вехи тернистого пути настройки термоконтроллера. Безусловно, простое их перечисление никак не заменит увлекательного чтения полного руководства пользователя LakeShore.
Настройка программы
НОВАЯ Настройка параметров
термоконтроллера LakeShore
Диалог настройки параметров вызывается двойным щелчком по значку шестерёнки на передней панели программы. Для правильной работы достаточно указать всего два параметра - вход для подключения датчика температуры (A или B) и управляющий контур (loop1 или loop2). Кроме того, можно задать частоту обновления графика на передней панели прибора, на точность контроля температуры эта величина не влияет. Эти параметры, как и все установки на передней панели, запоминаются при выходе из программы и восстанавливаются при её старте, так что настраивать можно один раз и навсегда.
Начало работы
Наконец, всё собрано и подключено. Настало время для горячей печки! Что же вы видите перед глазами после запуска программы?
Внешний вид программы управления
термоконтроллером LakeShore 340
Как и во всех программах комплекса
- Вы видите самую нужную информацию и основные действия в наглядной форме
- Вы видите это сразу и всё время, пока программа работает
- Вы не видите ничего лишнего
Фактически эта программа - замена передней панели LakeShore на экране компьютера. При старте программа воспроизводит на своей передней панели основные текущие параметры и установки прибора и позволяет ими управлять. Какие же главные элементы управления температурой?
Основные понятия регулировки
Текущая температура образца
Эта пожалуй самая интересная величина в термоконтроллере - конечный результат регулировки температуры. Она показывается красной кривой на графике от времени в секундах, а текущее значение Сейчас находится над графиком. Чтобы управлять температурой образца служит
Точка установки температуры
Базовым понятием в регулировке температуры с помощью термоконтроллера LakeShore является точка установки температуры (set point). Это верхний, логический уровень управления температурой, с которой имеет дело пользователь или управляющая программа. Установить set point - всё равно что сказать термоконтроллеру температура образца должна быть такой . После того, как команда отдана, LakeShore будет сам стараться установить и поддерживать именно такую температуру. Как он это будет делать, насколько эффективно, и как помочь ему улучшить скорость и точность установки - это уже нижний уровень управления, описанный ниже.
Но вернёмся к верхнему уровню. Определить, какая сейчас точка установки легко: достаточно посмотреть на график. Синее число в поле задано - это текущая точка установки, а синий график - история точки установки, по оси Х графика отложено время в секундах.
Чтобы поменять точку установки, введите новую температуру в поле Куда и нажмите кнопку Идём.
Параметры управления PID
На нижнем уровне управления термоконтроллер пытается удержать измерянную датчиком температуру образца как можно ближе к заданной точке установки температуры. Делает он это сам, непрерывно, автоматически и без участия пользователя. В общем, идеальный исполнитель-регулировщик. Но, как и любому исполнителю, ему необходимо грамотное руководство. Это руководство происходит с помощью трёх основных параметров PID, от слов Proportional, Integral и Derivative. Имеется в виду, что мощность нагревателя связана отрицательной обратной связью с сигналом ошибки e между реальной и заданной температурами, а параметры определяют долю этого сигнала, пропорциональную самой ошибке, интегралу и производной от ошибки по времени:
Heater Power = P[e + I int(e) dt + D de/dt]
Для того, чтобы температура устанавливалась нормально, до начала измерений нужно правильно задать параметры PID.
Настройка параметров PID
Настройка диапазона печки
Первой самой грубой настройкой прибора на конкретную установку будет установка диапазона выходной мощности нагревателя. Всего у прибора 5 диапазонов мощности, различающихся на порядок один от другого, но на практике требуется 2-3 значения, которые в основном определяются температурой: чтобы сильнее нагреть образец при том же охлаждении, нужна большая мощность. Однажды установленное значение диапазона мощности запоминается и восстанавливается при включении прибора и запуске программы.
Настройка Proportional
Правильное значение этого параметра зависит от множества факторов. Проще считать, что при любом изменении в тепловой системе нужно новое значение P. При ручной настройке рекомендуется отключить остальные параметры (I и D) и постепенно увеличивать P до тех пор, пока температура не начнёт осциллировать, после чего уменьшить величину P в два раза, это значение и будет оптимальным.
Настройка Integral
Оптимальное I значительно стабильнее, чем P, оно привязано ко времени задержки тепловой системы, то есть ко времени, необходимому на прохождение тепла от печки до датчика температуры. Оценить это время проще всего снова увеличив P и посмотрев на период собственных осцилляций температуры. Поделив 1000 на период осцилляций в секундах мы получим оптимальный параметр I.
Настройка Derivative
Для режима удержания постоянной температуры или медленно меняющихся процессов рекомендуется отключать параметр D. Тем ни менее, правильное его задание позволяет быстро реагировать на внезапное изменение условий (например, вдруг подул холодный воздух) и несколько уменьшить время установления и величину переколебания. Рекомендуемая величина D составляет четверть периода автоколебаний тепловой системы в секундах, вычисленного ранее при подборе параметров P и I. Если требуется только поддерживать постоянную температуру образца, рекомендуется отключить D (положить равным нулю).
Режимы автоустановки PID
Термоконтроллер может попробовать сам подобрать все или несколько параметров регулировки температуры. Вначале какие-то параметры всё-таки необходимо установить, и чем ближе они будут к оптимальным, тем быстрее и точнее будет подбор параметров. Подбор происходит только с выключенной развёрткой по температуре, когда изменение точки установки происходит сразу после задания нового значения. Режим автоподбора включается под индикаторами PID и может быть
- auto P - подбор только параметра P
- auto PI - подбор параметров P и I
- auto PID - подбор всех параметров P, I и D
- Manual - подбор выключен, все параметры устанавливаются вручную
После этого измените точку установки на несколько градусов и дождитесь окончания переходного процесса. Заметьте, что параметры PID во время переходного процесса остаются старые. В конце новые параметры будут показаны на экране и процесс можно будет повторить.
Проводить автоустановку не рекомендуется на тепловых системах с очень маленькой постоянной времени (меньше 10 секунд), очень большой (больше 15 минут) или в системах с нелинейной зависимостью температуры датчика от мощности печки.
Основные действия
Как вводить параметры
Прибор LakeShore хорошо работает автономно и требует внимания только при изменении режима работы. Большинство параметров прибора сохраняется при его выключении / включении. Эти текущие параметиры отображаются в окне программы при её старте. В дальнейшем пользователь может изменить параметры в программе, но их фактическая передача прибору происходит только после нажатия на кнопку Идём или на клавишу Enter.
Смена точки установки
Напишите нужную температуру в градусах Кельвина в поле Куда и нажмите на кнопку Идём или на клавишу Enter. После согласования параметров прибора с окном программы будет задана новая точка установки температуры.
Линейная развёртка по температуре
LakeShore имеет встроенную возможность рампинга температуры - линейного изменения точки установки температуры от времени. Величина рампинга задаётся установкой параметра со скоростью, значение параметра Сразу отключает рампинг. Включается рампинг автоматически при задании новой точки установки температуры (см. выше) и выключается при достижении заданной точки. Точка установки при этом будет линейно смещаться от текущего значения (синее число и синий график) до нового (в поле Куда) с заданной скоростью. Рампинг хорошо виден на графике, также включённый рампинг индицируется горящим зелёным индикатором между кнопками Идём и Стоп. Стоит подчеркнуть, что рампинг реализуется LakeShore автономно, так что период обновления, заданный в настройках программы, не влияет на его точность.
Диапазон мощности печки
Текущий диапозон мощности нагревателя выводится и задаётся в поле мощность. Полоса индикатора сразу под этим полем показывает мгновенную мощность нагревателя. С помошью этой полосы удобно контролировать диапазон печки.
Для быстрого аварийного отключения нагревателя (например, при неправильной установке PID) задайте нулевой диапазон мощности нагревателя.