🚮 📏 🥂 Arduino सेंसर के साथ दबाव और तापमान को मापने के परिणामों से गैस घनत्व का निर्धारण 🛸 🤱🏾 👧🏾

परिचय

गैस मिश्रण के मापदंडों को मापने का कार्य उद्योग और वाणिज्य में व्यापक है। गैसीय माध्यम की स्थिति के मापदंडों को मापने पर विश्वसनीय जानकारी प्राप्त करने की समस्या और तकनीकी साधनों का उपयोग करके इसकी विशेषताओं को मानकों (एमवीआई) में अपनाई गई माप प्रक्रियाओं द्वारा हल किया जाता है, उदाहरण के लिए, जब मानक कांस्ट्रेक्शन उपकरणों [1], या टरबाइन का उपयोग करके गैसों की प्रवाह दर और मात्रा को मापते हैं, घूर्णी और भंवर प्रवाहमापी और काउंटर [2]।

आवधिक गैस विश्लेषण हमें वास्तविक विश्लेषण मिश्रण और उसके मॉडल के बीच एक पत्राचार स्थापित करने की अनुमति देता है, जिसके अनुसार गैस के भौतिक रासायनिक मापदंडों को एमवीआई में ध्यान में रखा जाता है: गैस मिश्रण की संरचना और मानक परिस्थितियों में गैस घनत्व।
इसके अलावा, एमवीआई गैस की थर्मोफिजिकल विशेषताओं को ध्यान में रखता है: संचालन की स्थिति (गैस का दबाव और तापमान जिस पर इसकी प्रवाह दर या मात्रा मापा जाता है), चिपचिपाहट, कारक और संपीड़ितता कारक।

वास्तविक समय में मापा गया गैस राज्य पैरामीटर में शामिल हैं: दबाव (अंतर दबाव), तापमान, घनत्व। इन मापदंडों को मापने के लिए, क्रमशः उपकरणों को मापने के साधनों का उपयोग किया जाता है: मैनोमीटर (अंतर दबाव गेज), थर्मामीटर, डेंसिटोमीटर। गैसीय माध्यम के घनत्व का मापन प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष माप विधियों द्वारा मापा जा सकता है। दोनों प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष माप विधियों के परिणाम माप उपकरणों की त्रुटि और पद्धतिगत त्रुटि पर निर्भर करते हैं। परिचालन स्थितियों के तहत, माप सूचना संकेत महत्वपूर्ण शोर से प्रभावित हो सकते हैं, इसका मतलब वर्ग विचलन, जो वाद्य त्रुटि से अधिक हो सकता है। इस मामले में, एक आवश्यक कार्य माप सूचना संकेतों के प्रभावी फ़िल्टरिंग है।

यह लेख एक कलमन फ़िल्टर का उपयोग करके संचालन और मानक स्थितियों के तहत गैस घनत्व के अप्रत्यक्ष माप की विधि पर चर्चा करता है।

गैस घनत्व के निर्धारण के लिए गणितीय मॉडल

आइए हम क्लासिक्स की ओर मुड़ें और एक आदर्श गैस [3] की स्थिति का समीकरण याद करें। हमारे पास है:

1. मेंडेलीव-क्लैप्रोन समीकरण:

(1)

जहां:

- गैस का दबाव;

- दाढ़ की मात्रा;

आर सार्वभौमिक गैस स्थिरांक है,

;

टी पूर्ण तापमान है, टी = 273.16 के।

2. दो मापा पैरामीटर:

पी - गैस का दबाव, पा
t गैस का तापमान, ° C है।

यह ज्ञात है कि दाढ़ की मात्रा

गैस V की मात्रा और गैस के मोल्स की संख्या पर निर्भर करता है

इस मात्रा में:

(2)

यह भी ज्ञात है कि

(3)

जहाँ: m गैस का द्रव्यमान है, M गैस का दाढ़ द्रव्यमान है।

दिए गए (2) और (3) हम फॉर्म में फिर से लिखते हैं:

(4)।

जैसा कि ज्ञात है, किसी पदार्थ का घनत्व

के बराबर है:

(5)।

से (4) और (5) हम गैस घनत्व के लिए समीकरण प्राप्त करते हैं

(6)

और पैरामीटर के लिए संकेतन प्रस्तुत करता है

, जो गैस मिश्रण के दाढ़ द्रव्यमान पर निर्भर करता है:

(7)।

यदि गैस मिश्रण की संरचना नहीं बदलती है, तो पैरामीटर k स्थिर है।
तो, गैस के घनत्व की गणना करने के लिए, गैस मिश्रण के दाढ़ द्रव्यमान की गणना करना आवश्यक है।

पदार्थों के मिश्रण के दाढ़ द्रव्यमान को व्यक्तिगत पदार्थों के मिश्रण में शामिल बड़े अंशों के दाढ़ द्रव्यमान के अंकगणितीय औसत के रूप में परिभाषित किया गया है।

हम गैस मिश्रण में पदार्थों की ज्ञात संरचना लेते हैं - हवा में, जिसमें निम्न शामिल हैं:

ऑक्सीजन के अणुओं के वजन से 23%
नाइट्रोजन अणुओं के वजन से 76%
आर्गन परमाणुओं के वजन से 1%

इन वायु पदार्थों का दाढ़ द्रव्यमान क्रमशः निम्न होगा:

, जी / मोल।

हम अंकगणित औसत भारित के रूप में वायु के दाढ़ द्रव्यमान की गणना करते हैं:

अब, स्थिरांक का मूल्य ज्ञात करना

, हम मापा मानों को ध्यान में रखते हुए सूत्र (7) के अनुसार वायु घनत्व की गणना कर सकते हैं

और आगे:

गैस घनत्व को सामान्य, मानक स्थितियों में लाना

व्यवहार में, गैसों के गुणों का मापन विभिन्न भौतिक स्थितियों में किया जाता है, और विभिन्न डेटा सेटों के बीच तुलना सुनिश्चित करने के लिए, शर्तों के मानक सेट स्थापित किए जाने चाहिए [4]।

तापमान और दबाव के लिए मानक स्थितियां मानक द्वारा स्थापित भौतिक स्थितियां हैं, जिनके साथ इन स्थितियों पर निर्भर रहने वाले पदार्थों के गुण सहसंबद्ध होते हैं।

विभिन्न संगठन अपने मानक स्थितियों को स्थापित करते हैं, उदाहरण के लिए: इंटरनेशनल यूनियन ऑफ प्योर एंड एप्लाइड केमिस्ट्री (IUPAC), ने रसायन विज्ञान के क्षेत्र में मानक तापमान और दबाव (STP) की परिभाषा स्थापित की है: तापमान 0 ° C (273.15 K), निरपेक्ष दबाव 1 बार (Pa); नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ स्टैंडर्ड एंड टेक्नोलॉजी (NIST) 20 ° C (293.15 K) का तापमान और 1 atm (101.325 kPa) का पूर्ण दबाव सेट करता है, और इस मानक को सामान्य तापमान और दबाव (NTP) कहा जाता है; मानकीकरण के लिए अंतर्राष्ट्रीय संगठन (आईएसओ) प्राकृतिक गैस के लिए मानक स्थितियां स्थापित करता है (आईएसओ 13443: 1996, 2013 में पुष्टि की गई): तापमान 15.00 डिग्री सेल्सियस और पूर्ण दबाव 101.325 केपीए।

इसलिए, उद्योग और वाणिज्य में तापमान और दबाव के लिए मानक स्थितियों को इंगित करना आवश्यक है, जिसके बारे में आवश्यक गणना की जाती है।

हम तापमान और दबाव की परिचालन स्थितियों के तहत समीकरण (8) के अनुसार वायु घनत्व की गणना करते हैं। (6) के अनुसार, हम मानक परिस्थितियों में हवा के घनत्व के लिए समीकरण लिखते हैं: तापमान

और पूर्ण दबाव

(9)।

हम मानक परिस्थितियों में घटी हुई वायु के घनत्व की गणना करते हैं। हम समीकरण (6) को समीकरण (6) से विभाजित करते हैं और इस संबंध को लिखते हैं

(10)।

इसी तरह, हमें सामान्य परिस्थितियों में कम हुई हवा के घनत्व की गणना के लिए एक समीकरण मिलता है: तापमान

और पूर्ण दबाव

(11)।

समीकरणों (10) और (11) में हम वायु मापदंडों के मूल्यों का उपयोग करते हैं

, T और P समीकरण से (8) ऑपरेटिंग परिस्थितियों में प्राप्त किया।

मापने चैनल दबाव और तापमान का कार्यान्वयन

जानकारी प्राप्त करने के कई कार्यों को हल करने के लिए, उनकी जटिलता के आधार पर, एक माइक्रोकंट्रोलर प्लेटफॉर्म जैसे अरुडिनो, न्यूक्लियो, टेनेसी, आदि के आधार पर भविष्य की प्रणाली का प्रोटोटाइप बनाना सुविधाजनक है।

क्या आसान हो सकता है? आइए एक विशेष समस्या को हल करने के लिए एक माइक्रोकंट्रोलर प्लेटफ़ॉर्म बनाएं - दबाव और तापमान को मापने के लिए एक प्रणाली बनाना, कम खर्च करना, संभवतः, धन, और Arduino सॉफ़्टवेयर (IDE) वातावरण में सॉफ़्टवेयर विकास के सभी लाभों का उपयोग करना।

इसके लिए, हार्डवेयर स्तर पर, हमें घटकों की आवश्यकता होगी:

Arduino (Uno, ...) - एक प्रोग्रामर के रूप में उपयोग करें;
माइक्रोकंट्रोलर ATmega328P-PU - भविष्य के प्लेटफ़ॉर्म का माइक्रोकंट्रोलर;
एक 16 मेगाहर्ट्ज क्वार्ट्ज गुंजयमान यंत्र और प्रत्येक निर्माता की सिफारिशों के अनुसार 12-22 पीएफ के सिरेमिक कैपेसिटर की एक जोड़ी;
माइक्रोकंट्रोलर रीसेट करने के लिए एक क्लॉक बटन और माइक्रोकंट्रोलर 1 kOhm रोकनेवाला के रीसेट पिन के लिए एक पुल-अप प्लस पावर;
BMP180 - I2C इंटरफ़ेस के साथ तापमान और दबाव ट्रांसमीटर;
इंटरफ़ेस कनवर्टर TTL / USB;
उपभोज्य - तार, मिलाप, सर्किट बोर्ड, आदि।

मंच का एक योजनाबद्ध आरेख, आवश्यक इंटरफेस को ध्यान में रखते हुए: एक मानक धारावाहिक इंटरफ़ेस, I2C, और अधिक कुछ नहीं, अंजीर में प्रस्तुत किया गया है। 1।

अंजीर। 1 - दबाव और तापमान को मापने के लिए एक प्रणाली के कार्यान्वयन के लिए एक माइक्रोकंट्रोलर प्लेटफ़ॉर्म का योजनाबद्ध आरेख

अब हम अपने कार्य के कार्यान्वयन के चरणों पर विचार करेंगे।

1. सबसे पहले, हमें एक प्रोग्रामर की आवश्यकता है। हम Arduino (Uno, ...) को कंप्यूटर से कनेक्ट करते हैं। मेनू से अर्दुनो सॉफ्टवेयर वातावरण में, फ़ाइल-> उदाहरण-> 11 पर जाएं। अर्दोनिस्प हमें प्रोग्रामर प्रोग्रामर अरुडिनोआईएसपी से मिलता है, जिसे हम अरडूइनो में सीवे करते हैं। सबसे पहले, टूल मेनू से, क्रमशः बोर्ड, प्रोसेसर, लोडर, पोर्ट चुनें। ArduinoISP प्रोग्राम को बोर्ड में डाउनलोड करने के बाद, हमारा Arduino प्रोग्रामर में बदल जाता है और अपने इच्छित उद्देश्य के लिए उपयोग के लिए तैयार है। ऐसा करने के लिए, उपकरण मेनू पर, अर्दुनो सॉफ्टवेयर वातावरण में, प्रोग्रामर का चयन करें : "ISP के रूप में Arduino " आइटम।

2. ATmega328P स्लेव माइक्रोकंट्रोलर को SPI इंटरफ़ेस के माध्यम से Arduino मास्टर प्रोग्रामर (Uno, ...), अंजीर से कनेक्ट करें। 2. यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि पहले ATmega328P माइक्रोकंट्रोलर के कम फ्यूज बाइट रजिस्टर के बिट्स एक अप्रमाणित राज्य में सेट किए गए थे। अर्दुनो सॉफ़्टवेयर वातावरण पर जाएं और टूल मेनू से, बर्नर लोडर आइटम चुनें। ATmega328P माइक्रोकंट्रोलर चमकती।

अंजीर। 2 - प्रोग्रामर को माइक्रोकंट्रोलर के कनेक्शन आरेख

3. सफल फर्मवेयर के बाद, ATmega328P माइक्रोकंट्रोलर विकसित माइक्रोकंट्रोलर प्लेटफ़ॉर्म (छवि 3) पर स्थापना के लिए तैयार है, जो प्रोग्राम योग्य होने के साथ-साथ पूर्ण-विकसित Arduino (Uno, ...) है। दबाव और तापमान ट्रांसमीटर के लिए मतदान कार्यक्रम सूची 1 में दिखाया गया है।

अंजीर। 3 दबाव और तापमान मापने की प्रणाली

लिस्टिंग 1 - दबाव और तापमान ट्रांसड्यूसर्स के लिए मतदान कार्यक्रम

#include <SFE_BMP180.h> SFE_BMP180 pressure; double T,P; void setup() { Serial.begin(9600); pressure.begin(); } void loop() { P = getPressure(); Serial.println(P+0.5, 2); Serial.println(T+0.54, 2); delay(1000); } double getPressure(){ char status; status = pressure.startTemperature(); if (status != 0){ delay(status); //    status = pressure.getTemperature(T); if (status != 0){ status = pressure.startPressure(3); if (status != 0){ delay(status); //    status = pressure.getPressure(P,T); if (status != 0){ return(P); } } } } }

तापमान और दबाव चैनलों द्वारा फ़िल्टर करने और परिणाम प्राप्त करने के लिए पायथन कार्यक्रम

दबाव और तापमान माप से गैस घनत्व का निर्धारण करने के लिए विधि के लिए पायथन कार्यक्रम को सूची 2 में दिखाया गया है। माप प्रणाली से जानकारी वास्तविक समय में प्रदर्शित की जाती है।

लिस्टिंग 2 - दबाव और तापमान माप से गैस घनत्व का निर्धारण

 import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import serial from drawnow import drawnow import datetime, time from pykalman import KalmanFilter #      transition_matrix = [[1, 1, 0, 0], [0, 1, 0, 0], [0, 0, 1, 1], [0, 0, 0, 1]] observation_matrix = [[1, 0, 0, 0], [0, 0, 1, 0]] #     initial_state_mean = [101000, 0, 28, 0] #    : #   R, [/(*)] R = 8.314459848 #   M, [/] M = 29.04 # k = M/R, [/(*)] k = M / R # , [K] K = 273.16 # () , [] Pn = 101325 #   #    str_m = input("  : ") m = eval(str_m) #    mw = 16 #    ser = serial.Serial() ser.baudrate = 9600 port_num = input("   : ") ser.port = 'COM' + port_num ser #   try: ser.open() ser.is_open print(" : " + ser.portstr) except serial.SerialException: print("   : " + ser.portstr) raise SystemExit(1) #  l1 = [] #   1-  l2 = [] #   2-  t1 = [] #    lw1 = [] #    1-  lw2 = [] #    2-  n = [] #     nw = [] #      l1K = [] #    1-  l2K = [] #    2-  ro = [] #     #      filename = 'count.txt' in_file = open(filename,"r") count = in_file.read() count_v = eval(count) + 1 in_file.close() in_file = open(filename,"w") count = str(count_v) in_file.write(count) in_file.close() filename = count + '_' + filename out_file = open(filename,"w") #      print("\n:\n") print("n -  , ;") print("P - , ;") print("Pf -   P, ;") print("T - , . ;") print("Tf -   T, . ;") print("ro -  , /^3;") print("\n   \n") print('{0}{1}{2}{3}{4}{5}\n'.format('n'.rjust(3),'P'.rjust(10),'Pf'.rjust(10), 'T'.rjust(10),'Tf'.rjust(10),'ro'.rjust(10))) #     #  #   i = 0 while i < m: n.append(i) nw.append(n[i]) if i >= mw: nw.pop(0) ser.flushInput() #flush input buffer, discarding all its contents line1 = ser.readline().decode('utf-8')[:-1] line2 = ser.readline().decode('utf-8')[:-1] t1.append(time.time()) if line1: l = eval(line1) #l = np.random.normal(l,100.0) l1.append(l) lw1.append(l1[i]) if i >= mw: lw1.pop(0) if line2: l = eval(line2) #l = np.random.normal(l,1.5) l2.append(l) lw2.append(l2[i]) if i >= mw: lw2.pop(0) #------------------------- initial_state_mean = [l1[i],0,l2[i],0] kf1 = KalmanFilter(transition_matrices = transition_matrix, observation_matrices = observation_matrix, initial_state_mean = initial_state_mean) if i == 0: measurements = np.array( [ [l1[i], l2[i]], [initial_state_mean[0], initial_state_mean[2]] ] ) measurements = np.array( [ [l1[i], l2[i]], [l1[i-1], l2[i-1]] ] ) kf1 = kf1.em(measurements, n_iter=2) (smoothed_state_means, smoothed_state_covariances) = kf1.smooth(measurements) l1K.append(smoothed_state_means[0, 0]) l2K.append(smoothed_state_means[0, 2]) #     #ro.append( k * l1K[i]/( l2K[i] + K) ) # ,     ro.append( (k * l1K[i]/( l2K[i] + K)) * (Pn*(l2K[i]+K)/K/l1K[i]) ) # ,     #ro.append( (k * l1K[i]/( l2K[i] + K)) * (Pn*(l2K[i]+K)/(K+20)/l1K[i]) ) print('{0:3d} {1:10.3f} {2:10.3f} {3:10.3f} {4:10.3f} {5:10.3f}'. format(n[i],l1[i],l1K[i],l2[i],l2K[i],ro[i])) i += 1 ser.close() time_tm = t1[m - 1] - t1[0] print("\n  : {0:.3f}, c".format(time_tm)) Ts = time_tm / (m - 1) print("\n  : {0:.6f}, c".format(Ts)) #    print("\n    {}\n".format(filename)) for i in np.arange(0,len(n),1): out_file.write('{0:3d} {1:10.3f} {2:10.3f} {3:10.3f} {4:10.3f} {5:10.3f}\n'. format(n[i],l1[i],l1K[i],l2[i],l2K[i],ro[i])) #    out_file.close() now = datetime.datetime.now() #    #  plt.figure('') plt.plot( n, l1, "b-", n, l1K, "r-") plt.ylabel(r'$, $') plt.xlabel(r'$ \ $' + '; (  : {:.6f}, c)'.format(Ts)) plt.title("BMP180\n(" + now.strftime("%d-%m-%Y %H:%M") + ")") plt.grid(True) plt.figure('') plt.plot( n, l2, "b-", n, l2K, "r-") plt.ylabel(r'$, \degree $') plt.xlabel(r'$ \ $' + '; (  : {:.6f}, c)'.format(Ts)) plt.title("BMP180\n(" + now.strftime("%d-%m-%Y %H:%M") + ")") plt.grid(True) plt.figure(' ') plt.plot( n, ro, "r-") plt.ylabel(r'$ , /^3$') plt.xlabel(r'$ \ $' + '; (  : {:.6f}, c)'.format(Ts)) plt.title("BMP180\n(" + now.strftime("%d-%m-%Y %H:%M") + ")") plt.grid(True) plt.show()

गणना परिणाम सूची और अंजीर द्वारा प्रस्तुत किए जाते हैं। 4, 5, 6।

उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस और गणना परिणाम तालिका

   : 33    : 6  : COM6 : n -  , ; P - , ; Pf -   P, ; T - , . ; Tf -   T, . ; ro -  , /^3;     n P Pf T Tf ro 0 101141.000 101141.000 28.120 28.120 1295.574 1 101140.000 101140.099 28.190 28.183 1295.574 2 101140.000 101140.000 28.130 28.136 1295.574 3 101141.000 101140.901 28.100 28.103 1295.574 4 101140.000 101140.099 28.100 28.100 1295.574 5 101141.000 101140.901 28.110 28.109 1295.574 6 101141.000 101141.000 28.100 28.101 1295.574 7 101139.000 101139.217 28.100 28.100 1295.574 8 101138.000 101138.099 28.090 28.091 1295.574 9 101137.000 101137.099 28.100 28.099 1295.574 10 101151.000 101149.028 28.100 28.100 1295.574 11 101136.000 101138.117 28.110 28.109 1295.574 12 101143.000 101142.052 28.110 28.110 1295.574 13 101139.000 101139.500 28.100 28.101 1295.574 14 101150.000 101148.463 28.110 28.109 1295.574 15 101154.000 101153.500 28.120 28.119 1295.574 16 101151.000 101151.354 28.110 28.111 1295.574 17 101141.000 101142.391 28.130 28.127 1295.574 18 101141.000 101141.000 28.120 28.121 1295.574 19 101142.000 101141.901 28.110 28.111 1295.574 20 101141.000 101141.099 28.120 28.119 1295.574 21 101142.000 101141.901 28.110 28.111 1295.574 22 101146.000 101145.500 28.120 28.119 1295.574 23 101144.000 101144.217 28.130 28.129 1295.574 24 101142.000 101142.217 28.130 28.130 1295.574 25 101142.000 101142.000 28.140 28.139 1295.574 26 101142.000 101142.000 28.130 28.131 1295.574 27 101146.000 101145.500 28.150 28.147 1295.574 28 101142.000 101142.500 28.190 28.185 1295.574 29 101146.000 101145.500 28.230 28.225 1295.574 30 101146.000 101146.000 28.230 28.230 1295.574 31 101146.000 101146.000 28.220 28.221 1295.574 32 101150.000 101149.500 28.210 28.211 1295.574   : 6.464, c   : 0.201998, c     68_count.txt

अंजीर। 4 - माप (लाल) और निस्पंदन (नीला) दबाव के परिणाम

अंजीर। 5 - तापमान के माप परिणाम (लाल) और निस्पंदन (नीला)

अंजीर। 6 - वायु घनत्व की गणना के परिणाम मानक स्थितियों (तापमान 273.15 K, पूर्ण दबाव 101.325 kPa) तक कम हो गए

निष्कर्ष

Arduino सेंसर और पायथन सॉफ्टवेयर का उपयोग करके दबाव और तापमान माप से गैस घनत्व का निर्धारण करने के लिए एक तकनीक विकसित की गई है।

सूचना के स्रोतों के लिए लिंक

GOST 8.586.5-2005। यूआरएल
GOST R 8.740 - 2011. URL
आदर्श गैस कानून। यूआरएल
तापमान और दबाव के लिए मानक स्थितियां। यूआरएल

Arduino सेंसर के साथ दबाव और तापमान को मापने के परिणामों से गैस घनत्व का निर्धारण