Ανάπτυξη ολοκληρωμένου συστήματος ελέγχου ροής με διατάξεις μικροελεγκτών

Βούλγαρης, Κωνσταντίνος

Development of an integrated flow control system utilizing microcontrollers

Διπλωματική εργασία

Author

Βούλγαρης, Κωνσταντίνος

Date

2024-07-24

Advisor

Kaltsas, Grigoris

Διπλωματική εργασία (3.082Mb)

Keywords

Ροή ; Ελεγκτές ροής μάζας ; Ενσωματωμένα συστήματα ; Μικροελεγκτές

Abstract

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος ελέγχου ροής μάζας με διατάξεις μικροελεγκτών. Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα που υλοποιήθηκε δέχεται τιμή εισόδου από το χρήστη και εκτελώντας τις ανάλογες παραμετροποιήσεις επιφέρει στη διάταξη τα επιθυμητά επίπεδα ροής. Για την ανάπτυξη του συστήματος, μελετήθηκαν βασικές αρχές λειτουργίας του ελέγχου ροής και έγινε έρευνα αντιστοίχων συστημάτων ελέγχου ροής που υπάρχουν στο εμπόριο και σε ερευνητικό στάδιο. Τα πειράματα έλαβαν χώρα στις εγκαταστάσεις του ερευνητικού εργαστήριου Μικροσυστημάτων, Αισθητήρων Ενσωματωμένων Διατάξεων και Αυτοματισμού, MicroSenses. Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε αποτελείται από: το αναπτυξιακό σύστημα STMF401RE σε συνδυασμό με μια ηλεκτρική σφαιρική βαλβίδα και τον αισθητήρα ροής μάζας M-20SLPM-D της Alicat Scientific. Ένα ICMAX232 level shifter χρησιμοποιήθηκε για την μετατροπή των σημάτων επικοινωνίας μεταξύ του μικροελεγκτή και του αισθητήρα. Η τροφοδοσία ροής του συστήματος πραγματοποιείται από έναν συμπιεστή αέρα που παραχωρήθηκε από το εργαστήριο για τις ανάγκες του πειράματος. Στη συνέχεια, πραγματοποιηθήκαν οι αναγκαίες συνδέσεις για τη δημιουργία του κυκλώματος οδήγησης της σφαιρικής βαλβίδας, καθώς και οι συνδέσεις για την επικοινωνία του αισθητήρα με τον μικροελεγκτή. Τα στοιχεία της σφαιρικής βαλβίδας και του αισθητήρα, επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας ειδικούς σωλήνες με αντοχή σε υψηλές πιέσεις, καθώς και δυο ρυθμιστές πίεσης, με τον πρώτο να τοποθετείται στην είσοδο του αισθητήρα, και τον δεύτερο σε διακλάδωση κατά την είσοδο του συστήματος και πριν από την σφαιρική βαλβίδα. Μετά τη σύνθεση του υλικού πραγματοποιηθήκαν μετρήσεις σε ένα ευρύ φάσμα τιμών για την βαθμονόμηση της σφαιρικής βαλβίδας. Συγκεκριμένα, ακολουθηθήκαν δυο διαφορετικά είδη μετρήσεων για την πολύπλευρη προσέγγιση του συστήματος. Έπειτα δημιουργήθηκε το κυρίως πρόγραμμα στο αναπτυξιακό STMF401RE για τον έλεγχο του συστήματος του ελεγκτή ροής μάζας. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις για να διαπιστωθεί η συμπεριφορά του συστήματος, ειδικότερα, ο χρόνος που απαιτεί για να σταθεροποιηθεί στην επιθυμητή τιμή, καθώς και η απόκλιση που εμφανίζει σε κάθε τιμή.

Abstract

The aim of this thesis is the study, design and development of an integrated mass flow control system utilizing microcontroller devices. Specifically, the implemented system accepts an input value from the user and by performing the appropriate parameterizations sets the system to the desired flow levels. For the implementation of the system, the basic principles of flow control operation were taken into consideration. Moreover a study on flow control systems, which are available commercially and used in the research phase, was conducted. The experiment took place at the MicroSenses, Microsystems, Sensors, Embedded Devices and Automation Research Laboratory. The hardware consisted of: the STMF401RE development board combined with an electric ball valve and the Alicat Scientific M-20SLPM-D mass flow sensor. An ICMAX232 level shifter was used to convert the communication signals between the microcontroller and the sensor. The flow supply for the system was provided by an air compressor provided by the laboratory for the needs of the experiment. Furthermore, the necessary connections were made for the fabrication of the ball valve driving circuit and the connections between the sensor and the microcontroller. The ball valve and sensor components communicate with each other using special high-pressure resistant tubes, as well as two pressure regulators, with the first placed at the inlet of the sensor, and the second at a junction at the inlet of the system and before the ball valve. After the synthesis of the system, measurements were carried out over a wide range of values to calibrate the ball valve. Specifically, two different types of measurements were performed for the multi-faceted approach of the system. Afterwards the main program was created on the development board STMF401RE to test the mass flow controller system. Finally, measurements were made to determine the behaviour of the system, in particular, the time it takes to deliver the requested value, as well as the deviation of each value.