Μοντελοποίηση και απεικόνιση αυτοματοποιημένων φυσικοχημικών διεργασιών

Abstract

This thesis explores ways of using 3D visualization for the creation of realistic simulation of experiments. In addition we try to find ways to make the internal operation of modern instrumentation more transparent. Automated computerized systems have made the internal structure of scientific instrumentation obscure. One way to make the internal operation of instruments more transparent is to develop educational material that explores the functions of a microcontroller. Microcontroller technology has led to an extreme automation at very low cost, and familiarity with this technology is essential. Video game technology, makes possible the design of 3D simulations This technology enables an accurate representation of a physical phenomenon on a computer screen. In this work physico-chemical processes controlled by pid controllers are represented in 3D format on the screen. The features of pid controllers are examined, an analysis is made on how to draw conclusions through mathematical models, and the steps how to produce a three-dimensional realistic visualization are given. A 3D simulation has been designed, that represents a simultaneous temperature level and composition control experiment in a continuously stirred tank reactor system. The cost of development boards has decreased, and now they represent a cost-efficient platform to clarify the internal operation of instruments. Analog boards for easy interconnection of operational amplifiers are now available that make an introduction to analog signal processing easier. During the past few years very powerful low-cost digital microcontrollers have appeared that can be used to upgrade lab instruments or construct homemade instruments with good educational characteristics. The low price of development boards makes them attractive for use in an instrumentation course to teach the various capabilities offered by peripherals of a microcontroller and thus make the internal operation of modern instrumentation more transparent. In this work, we demonstrate how to develop a pH meter and during this process clarify the operations in the CPU, the GPIO, ADC, and UART peripherals. The data acquired by the ADC are initially stored in memory and can be either displayed on a screen, if it is available, or transferred to a PC for further data manipulation.

Στην διατριβή αυτή ερευνώνται και μελετώνται τρόποι αξιοποίησης της τρισδιάστατης οπτικοποίησης για τη δημιουργία ρεαλιστικών προσομοιωτών πειραμάτων, και των μικροελεγκτών και των περιφερειακών τους για να καταστήσουν πιο διαφανή την αυτοματοποιημένη λειτουργία των επιστημονικών διατάξεων. Οι εξελίξεις στο υλικό και λογισμικό που προέκυψε από την βελτίωση της ποιότητας των βιντεοπαιχνιδιών καθιστούν πλέον εφικτή υλοποίηση προσομοιώσεων με κινούμενη εικόνα τριών διαστάσεων και δίνουν την δυνατότητα ουσιαστικά να επιτευχθεί η ακριβής αναπαράσταση ενός φαινομένου σε οθόνη. Η τεχνολογία των μικροελεγκτών οδήγησε στην ακραία αυτοματοποίηση οργάνων και φυσικοχημικών διεργασιών με πολύ χαμηλό κόστος και η εξοικείωση με αυτή την τεχνολογία είναι απαραίτητη.Προσομοιώνονται φυσικοχημικά φαινόμενα που ελέγχονται από ελεγκτές αυτομάτου ελέγχου και αναπαρίστανται σε τρισδιάστατη μορφή στην οθόνη του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Γίνεται ανάλυση πως εξάγονται συμπεράσματα μέσω μοντέλων, στη συνέχεια πως οπτικοποιείται ένα μοντέλο αξιοποιώντας τις δυνατότητες τρισδιάστατης ρεαλιστικής αναπαράστασης που προσφέρουν τα εργαλεία λογισμικού, εξηγούνται τα χαρακτηριστικά των αυτομάτων ελεγκτών και οπτικοποιούνται διαδικασίες έλεγχου στάθμης, θερμοκρασίας και σύστασης. Στη συνέχεια, αξιοποιούνται οι δυνατότητες που προσφέρουν οι πλακέτες ανάπτυξης στην επεξεργασία αναλογικού και ψηφιακού σήματος για την κατασκευή η την τροποποίηση επιστημονικών διατάξεων μέτρησης χρησιμοποιώντας σαν παράδειγμα τη μέτρηση του pH. Οι πλακέτες επεξεργασίας αναλογικού σήματος είναι εφοδιασμένες με τελεστικούς ενισχυτές και διασυνδετήρες που επιτρέπουν την εύκολη τροποποίηση των χαρακτηριστικών τους και την διασύνδεσή τους για να δώσουν μία ενισχυτική διάταξη με επιθυμητά χαρακτηριστικά. Οι πλακέτες επεξεργασίας ψηφιακού σήματος περιλαμβάνουν μικροελεγκτή με ένα πλήθος από περιφερειακά. Αυτές οι πλακέτες πολύ χαμηλού κόστους δίνουν την δυνατότητα δημιουργηθεί ένα σύστημα συλλογής δεδομένων από αισθητήρες και να γίνει κατανοητή η δομή του χημικού οργανολογικού εξοπλισμού. Αναλύεται η διαδρομή του σήματος, εξηγείται η λειτουργία του αναλογικού τμήματος και παρουσιάζονται τα σύγχρονα εργαλεία που βελτιστοποιούν την σχεδίαση. Αναλύεται η λειτουργία του μικροελεγκτή εξηγείται ο τρόπος προγραμματισμού των περιφερειακών, τρόποι μεταφοράς των δεδομένων σε μικροϋπολογιστή και η κατασκευή οπτικής διεπαφής .