Реферат: Проектирование виброметра
Введение
Измерительнаятехника- один из важнейших факторов ускорения научно-технического прогрессапрактически во всех областях народного хозяйства.
Приописании явлений и процессов, а также свойств материальных тел используютсяразличные физические величины, число которых достигает нескольких тысяч:электрические, магнитные, пространственные и временные, механические,акустические, оптические, химические, биологические и другие.
Приэтом указанные величины отличаются не только качественно, но и количественно иоцениваются различными числовыми значениями.
Установлениечислового значения физической величины осуществляется путём измерения.
Результатомизмерения является количественная характеристика в виде именованного числа содновременной оценкой степени приближения полученного значения измеряемойвеличины к истинному значению физической величины.
Приреализации любого процесса измерения необходимы технические средства,осуществляющие восприятия, преобразование и представление числового значенияфизических величин.
Напрактике при измерении физических величин применяют электрические инеэлектрические методы.
Электрическиеметоды измерений получили наиболее широкое распространение, так как с ихпомощью достаточно просто осуществлять преобразование, передачу, обработку,хранение, представление и ввод измерительной информации в ЭВМ.
Получениеи обработка измерительной информации предназначены не только для достижениятребуемого качества продукции, но и организации производства, учёта исоставления баланса количества вещества и энергии. В настоящее время важнойобластью применения измерительной техники является автоматизациянаучно-технических экспериментов.
Дляповышения экономичности проектируемых объектов, механизмов и машин большоезначение имеют экспериментальные исследования, проводимые на их физическихмоделях. При этом задача получения и обработки измерительной информацииусложняется настолько, что её эффективное решение становится возможным лишь наоснове применения специализированных измерительно-вычислительных средств.
Широкиевозможности открылись перед измерительной техникой в связи с появлениеммикропроцессоров и микроЭВМ. Благодаря им значительно расширились областиприменения средств измерительной техники, улучшились их техническиехарактеристики, повысились надёжность и быстродействие, открылись путиреализации задач, которые ранее не могли быть решены.
Пошироте и эффективности применения микропроцессоров одно из первых мест занимаетизмерительная техника, причём всё более широко применяются микропроцессоры всистемах управления. Трудно переоценить значение микропроцессоров и ЭВМ присоздании автоматизированных средств измерений, предназначенных для управления,исследования, контроля и испытаний сложных объектов.
Развитиенауки и техники требует постоянного совершенствования средств измерительнойтехники, роль которой неуклонно возрастает.
Техническое задание напроектирование виброизмерительного прибора.
Наименование и область примененияОднойиз актуальных проблем современной техники является измерение параметроввибраций, ударов и шумов. Сегодня нельзя назвать практически ни одного объектаконтроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействиевибрационных, ударных или акустических нагрузок. Исследования колебательных процессовпредставляют большой интерес для всех отраслей народного хозяйства –металлургии, энергетического машиностроения, ракетной техники и так далее.Разрабатываются способы борьбы с вредным воздействием вибраций, ударов и шумовв технике и природе. Интенсивно изучаются землетрясения, представляющие собойэпизодические колебания, вызванные освобождением потенциальной энергии упругихдеформаций земной коры, происходящих в момент её разрывов в местах концентрациинапряжений. Тщательно контролируются вращающиеся или перемещающиеся в различныхнаправлениях с большой скоростью узлы и механизмы крупных сооружений иагрегатов, такие как: электрогенераторы тепла и гидростанции, гребные винтыкораблей, авиационные и ракетные двигатели и тому подобное, являющиеся источникомвозникновения интенсивных периодических и непериодических вибрационныхпроцессов. Особую опасность представляют известные умножения колебаний,возникающие на резонансных частотах упругих конструкций. Возникающие привибрациях и ударах инерционные силы могут вызвать напряжения, превышающиепредел прочности конструкции, или относительные перемещения деталей внедопустимых пределах. Из-за вибраций значительно снижается срок службыоборудования, ухудшается качество его работы.
Вредноевоздействие на человека оказывает и шум, представляющий собой акустическиеколебания в воздушной среде.
Вибрационныепроцессы могут служить источником информации для диагностики машин и механизмовкак средство раннего обнаружения их неисправности. Общеизвестны акустическиеприборы, определяющие дефекты, размеры и физико-математические свойстваматериалов и изделий без их разрушения.
Технические характеристики:
Количество контролируемых точек 8
Частотный диапазон, Гц 0– 500
Диапазон преобразуемых перемещений, мм 0– 2.0
Основная систематическая погрешность 1%
Структурная схема устройства.
На рисунке 1 изображена структурная схемаэлектронного виброизмерительного прибора.
/>
1.1-1.8 — виброизмерительные датчики
2.2-2.8 — усилители напряжений
3 - коммутатор
4 - аналого-цифровой преобразователь
5 – микропроцессорная система
6 – устройство индикации
7 – блок питающих напряжений
Расчёт параметров блоков структурной схемы.
Виброизмерительный датчик.
В качестве виброизмерительного датчикавыберем тензорезистивный преобразователь СЕТТ1
Технические характеристикипреобразователя:
Диапазон выходных перемещений, мм 0…2
Диапазон входных напряжений, мВ 0…6
Рабочий диапазон частот, Гц 0–500
Погрешность преобразования, не более 0.2%
Температурный уход нулевого сигнала
в рабочем диапазоне ±0.3%/ 10°С
Напряжение питания, В 15
Рабочий диапазон температур, °С -40…..+60
Относительная влажность окружающего
воздуха при 25°С до98
Габаритные размеры, мм 65x44x33
Масса, кг 0.33
Срок службы (часов), не менее 5000
Чувствительнымэлементом виброизмерительного датчика являются тензорезисторы. Действиетензорезистивных измерительных преобразователей основано на использованиитензоэффекта, который заключается в том, что под действием приложенной растягивающей или сжимающей силы проводниковые материалы изменяют удельнуюэлектрическую проводимость.
Вненагруженном состоянии сопротивление R проводника, имеющего длинуℓ, определяется его сечением q и удельным сопротивлением
/>/>
При растяжении проводника его длина становится равной (ℓ+∆ℓ ), а сечение q(1-2μ∙∆ℓ/ ℓ), где μ=0.3 –коэффициент Пуассона, тогда
/>
Тензоэффект характеризуется тензочувствительностью материала.
/>
Где R, ℓ — длина и сопротивление материала
∆R,∆ℓ — приращение длины и сопротивления материала вследствиеприложения внешних сил.
Выберем тензорезистор проволочный в виде плоскойбеспетлевой решётки, выполненный из тонкой проволоки диаметром 10мкм изконстантана на бумажной основе, типа ПКБ-10-200
Техническиехарактеристики тензорезистора:
Номинальноесопротивление 200Ом
Рабочий диапазонтемператур -50 до +50 ˚С
Активная база, мм 10
Габаритные размеры, мм 25x4.5
Коэффициент тензочувствительности 2,0±0.2
Номинальный рабочий ток, мА 30
Предел измерения относительных деформаций 0.0003
Поперечная чувствительность от продольной 2%
Электрическая схема виброизмерительногопреобразователя с тензорезисторами.
/>
Условия равновесия моста:
/>1) /> 2)/>
/>
Коэффициенттензочувствительности:
/> , где />-коэффициент тензочувствительности.
Для константана />;
/>-длина активной базы;
Для ПКБ-10-200 />мм
R – сопротивление тензорезистора
R=200 Ом
Допустим />мм
/>
/>
/>,
мм
0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.0/>, Ом
12 24 36 48 60 72 80/>
Пусть />
/> , тогда по условию равновесия:
/>
/>,
мм
0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.0/>,
мВ
0.9 1.8 2.7 3.6 4.5 5.4 6/>
Усилитель напряжения.
Выходное напряжение свиброизмерительного датчика необходимо усилить. Для этого используем микросхемуоперационного усилителя К140УД15.
/>
Технические характеристикиусилителя:
/>, В +15
/>, В -15
/>, мА, не более 12
/> ???
/>, мА, не более 9
/>, мВ, не более ±7.5
/>, мкА, не более ±1.7
/>, дБ, не более 60
/>, В 5
/>, кОм, не менее 4
/>, кОм, не менее 700
КоммутаторКоммутаторпредназначен для подключения одного из вибродатчиков на вход аналого-цифровогопреобразователя. Управление коммутатором осуществляется микропроцессорнойсистемой, которая передаёт на него код с номером коммутируемого канала.
Выбереммикросхему КР590КН1, которая представляет собой 8-канальный коммутатор сдешифратором на МОП-транзисторах для коммутации напряжений от –5 до +5 В.
Корпуспрямоугольный пластмассовый.
238.16.2
/>
Микросхема КР590КН1 имеетследующие параметры:
/>, В +15
/>, В -15
Коммутируемое напряжение, В -5…+5
Коммутируемый ток, мА, не более 10
8 каналов
Помехозащищённость, В 0.4
Погрешность, % 0.1
Аналого-цифровойпреобразователь.
Дляреализации аналого-цифрового преобразования выходного сигнала коммутаторавыбрана микросхема К1113ПВ1А, которая представляет собой функциональнозаконченный 10-разрядный преобразователь, сопрягаемый с микропроцессором.Микросхема обеспечивает преобразование как однополярного (униполярного)напряжения в диапазоне 0…9.95 В, так и биполярного напряжения в диапазоне
-4.9…+4.9В в параллельный двоичный код.
Всостав ИС входят ЦАП, компаратор напряжения, регистр последовательногоприближения (РПП), источник опорного напряжения (ИОН), генератор тактовыхимпульсов (ГТИ), выходной буферный регистр с тремя состояниями, схемыуправления.
Выходныекаскады с тремя состояниями позволяют считывать результат преобразованиянепосредственно на шину данных микропроцессора, по уровням входных и выходныхлогических сигналов сопрягаются с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ)схемами. В измерительных системах выходной ток цифро-аналоговогопреобразователя (ЦАП) сравнивается с током входного резистора от источникапитания (ИП) и формируется логический сигнал регистра последовательногоприближения (РПП). Стабилизация разрядных токов цифро-аналогового преобразователя(ЦАП) осуществляется встроенным источником опорного напряжения (ИОН).Тактирование регистра последовательного приближения (РПП) обеспечиваетсяимпульсами встроенного генератора тактовых импульсов (ГТИ). Установка регистрапоследовательного приближения (РПП) в исходное состояние и запуск его в режимпреобразования производится по внешнему сигналу “гашение и преобразование”. Поокончанию преобразования аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вырабатываетсигнал “готовность данных ” и информация из регистра последовательногоприближения (РПП) поступает на цифровые выходы через каскады с тремясостояниями.
Корпус: металлокерамический типа 23818-1, масса не более 2.5 г.
/>
Назначение выводов :
1 – девятый разряд
2 – восьмой разряд
3 – седьмой разряд
4 – шестой разряд
5 – пятый разряд
6 – четвёртый разряд
7 – третий разряд
8 – второй разряд
9 – первый разряд
10 – напряжение питания
11 – гашение и преобразование
12 – напряжение питания
13 – аналоговый
14 – аналоговая “земля”
15 – управление сдвигом нуля
16 — цифровая “земля”
17 – готовность данных
18 – десятый разряд (младший)
Электрические параметры:
Номинальное значение питания:
Uп1 5В±5%
Uп2 -15В±5%
Напряжение смещения нуля на входе -0.3…+0.3%ПШВыходное напряжение высокого уровня ≤2.4В
Выходное напряжение низкого уровня ≥0.4В
Ток потребления в режиме “гашение”При Uп1 ≤10мА
Uп2 ≤18мА
Входной ток высокого (низкого ) уровня,мкА -40…+40
Ток утечки на выходе, мкА -40…+40
Время преобразования, мкс ≤30
Нелинейность -0.1…+0.1%П
Дифференциальная нелинейность -0.1…+0.1%ПШ
Абсолютная погрешность преобразованияв конечной точке шкалы -0.2…+0.2%ПШ
ПШ – от полной шкалы
Микропроцессорная система.
Микропроцессорнаясистема предназначена для управления аналого-цифровым преобразователем (АЦП),приёма с него информации в виде цифрового кода, её обработки, хранения и выводана индикаторное устройство и для управления внешним устройством через интерфейссвязи.
Вкачестве микропроцессорной системы выбрана микросхема 8-разряднойоднокристальной ЭВМ с РПЗУ КМ1816ВЕ751А
Этопозволяет получить лучшие массогабаритные показатели прибора, более высокуюнадёжность и меньшее энергопотребление. Это возможно благодаря тому, что микросхемаобъединяет в себе все узлы, необходимые для автономной работы:
- центральный 8-разрядный процессор
- память программ объёмом 4 Кбайт с возможностью увеличения до 64 Кбайт засчёт подключения внешних микросхем памяти
- память данных объёмом 128 байт с возможностью увеличения до 64 Кбайт
- четыре 8-разрядных программируемых порта ввода-вывода, отдельные выводыкоторых могут выполнять специализированную функцию
- два 16-байтовых многорежимных таймера / счётчика
- система прерываний с пятью векторами и двумя уровнями
- последовательный интерфейс
- тактовый генератор
Условное обозначение микросхемы КМ1816ВЕ751А:
Рис.микросхемы.
Рис.микросхемы.
/>
Назначение выводов.
№ вывода Обозначение Назначение вывода Тип вывода
1-8 Р1.0-Р1.7 8-разрядный двунаправленный порт Р1. Вход адреса А0-А7 при проверке внутр.ПЗУ вход/выход
9 RST Сигнал общего сброса вход
10-17 Р3.0-Р3.7 8-разрядный порт с дополнительными функциями вход/выход
Р3.0 Данные приёмника последовательного интерфейса RxD вход
Р3.1 Данные передатчика последовательного интерфейса ТxD выход
Р3.2
Вход внешнего запро-
са на прерывание 0
входР3.3
Вход внешнего запро-
са на прерывание 1
входР3.4
Вход
таймера/счётчика 0
входР3.5
Вход
Таймера/счётчика 1
входР3.6
Выход стробирующе-
го сигнала при чте-
нии из внешней
памяти данных
выходР3.7
Выход стробирующе-
го сигнала при чте-
нии из внешней
памяти данных
выход 18 BQ2 Выводы для подклю-чения кварцевого резо-натора выход19 BQ1 вход
20 CND Общий вывод ----
21-28 Р2.0-Р2.7 8-разрядный двунаправленный порт Р2. Вход адреса А8-А15 в режиме работы с внешней памятью Вход/выход
29 РМЕ Разрешение программирования памяти выход
30 АLE Выходной сигнал разрешения фиксации адреса. При программировании ПЗУ-сигнал PROG Вход/выход
31 DEMA Блокировка работы с внешней памятью. При программировании ПЗУ подаётся сигнал Upr Вход/выход
32-39 P0.0-p0.7 8-разрядный двунаправленный порт Р0. Шина данных/адреса при работе с внешней памятью. Выход данных в режиме проверки внутреннего ПЗУ Вход/выход
40 Ucc Напряжение питания +5В
/> /> /> /> /> /> Электрические параметры микросхемыКМ1816ВЕ751А
Номинальноенапряжение питания 5 В±5%
Выходноенапряжение низкого уровня ≤0.5 В
Выходноенапряжение высокого уровня ≥2.4 В
Ток потребления,мА ≤220
Входной токнизкого уровня, мкА ≤500
Входной токвысокого уровня, мА ≤|-2.5|
Ток утечкисигналов РО (0…7) ≤100мк
Потребляемаямощность, Вт 1.4
Время задержки сигнала РМЕ относительноСигналов адресаА7… А0 ≥0
Период следованияимпульсов BQ2 83.3…286 нс
Время фронтанарастания или спада сигнала BQ2 ≤20 нс
Время хранения информации ввыключенном состоянии>5 лет
Время хранения информации во включенном состоянии >20тыс.часовВремя выполнения короткой программы 1мкс
4.6 Дешифратор.
Длятого чтобы вывести на экран индикатора выходной сигнал с микропроцессорнойсистемы требуется декодер для перехода двоично-десятичного кода всемисегментный код.
Выберемдешифратор двоично-десятичного кода в семисегментный типа К555ИД18. Данныйдешифратор имеет четыре информационных входа D1, D2, D3, D4 и семь выходовс третьим состоянием Z. Дешифратор имеет выходы с открытымколлектором (3).
Сопротивления,которые подключаются к выходам дешифратора,
R12-R17, вычисляютсяпо формуле
Где Uпит=+5 В -напряжение питания.
Uдш –напряжение на выходе дешифратора (0В)
I˚вых –выходной ток при логическомнуле (4,5 мА)
Рассеиваемаямощность
Р = (I˚вых)²· R = 0.022 Вт
Выберем резистор типа МЛТ-0.125 Вт-11 кОм ± 10%
4.7 Устройство индикации.
Вкачестве устройства индикации выберем индикатор цифровой многоразрядныйвакуумный люминесцентный ИВ-18, который предназначен для отображения информациив виде цифр от 0 до 9 и десятичного знака в каждом из 8-ми цифровых разрядов ивспомогательной информации на одном служебном разряде в средствах отображенияинформации индивидуального и группового пользования.
Корпус цилиндрический, стеклянный, выводы гибкие. Масса неболе 30 г.
/>
Назначение выводов:
1- катод, проводящийслой внутренней поверхности баллона
2- />– аноды – сегменты с 1-го по 8-йразряд
3- ж1…ж8 – аноды –сегменты
4- е1…е8 – аноды –сегменты
5- /> - аноды – сегменты
6- />– анод – сегмент 9-го разряда
7- />– анод – сегмент 9-разряда
8- а9 — анод –сегмент 9-разряда
9-12 – аноды – сегменты
13- катод
14-сетка 9-го разряда
15-сетка 1-разряда
16-сетка 3-разряда
17-сетка 5-разряда
18-сетка 8-разряда
19-сетка 7-разряда
20-сетка 6-разряда
21-сетка 4-разряда
22-сетка 2-разряда
Подключениевыводов для формирования цифр и знаков:
Цифры: Выводы: Цифры: Выводы:
0 12,11,3,5,4,10 9 9,11,12,10,4,3
1 10,4 точка 2
2 12,10,9,5,3 черта 6
3 12,10,9,4,3 минус 7
4 11,9,10,4
5 12,11,9,4,3
6 12,11,5,3,4,9
7 12,10,4
8 12,11,9,4,3,5,10
Схемауправления:
/>
1- дешифратор
2,3–оптроны
4-индикатор
5-источник питания
Эквивалентная схема:
/>
Основные данные ИВ-18:
Цвет свечения зелёный
Яркость индикатора, кд/м², не менее
одногоцифрового разряда 900
служебногоразряда 200
Напряжение накала, В 85±10
Ток накала, мА 50
Напряжение анода –сегмента, В 45
Ток анодов – сегментов суммарный, мА
для девятиразрядов 50
Скважность 10±1
Минимальная наработка, ч 10000
Срок хранения, лет, неменее 4
Блокпитающих напряжений.
Выбороптимального источника питания для виброизмерительного прибора – ответственнаязадача, поэтому прежде всего следует определить необходимое и достаточноекачество его выходного напряжения .
Источник питания должен обеспечить питание для аналоговыхмикросхем:
К140УД15: +15В…-15 В
КР590КН1: +15В…-15 В
К1113ПВ1А: +5 В…-15 В
КМ1816ВЕ751А: +5В
К555ИД18: +5В
Выберем трансформатор ТПТ259 127 / 220-50, мощностью 31В·А с бролевым сердечником ШМЛ 25*32 и напряжением вторичных обмоток 5;10;1.34В.
Для выпрямления напряжения используем диодный мост КУ401Г
(Iпотmax = 0.5 А)
При стабилизации напряжения питания будем использовать :
Для Uпит1=+15 В –микросхему К142ЕН48
Для Uпит2=-15 В – микросхему К142ЕН1
Для Uпит3= +9 В – стабилитрон КС190Г
(Iст3=10мА)
для Uпит4= +5 В — стабилитрон КС156А
(Iст4=5мА)
/>
Определим номиналы сопротивлений: R1 и R2
/>
Из номинального ряда возьмём />
/>
Конденсаторы /> возьмём по 100 мкФ
/>
5. Метрологическое качествоизмерений.
Результирующаяпогрешность средства измерений складывается из отдельных составляющих, которыемогут быть определены расчётным или экспериментальным путём.
А также суммировать погрешности часто необходимо при анализе и синтезесредств измерений, оценке погрешностей сложных измерительных устройств, когдаизвестны погрешности отдельных его блоков, при определении его блоков, приопределении требований к точности средств измерений, если изв6етна допустимаяпогрешность результата измерений.
Суммарная погрешность виброизмерительного прибора:
/> , где
/> - погрешность вибродатчика СЕТТ1
/> - погрешность усилителя напряжений
/> - погрешность коммутатора
/> - погрешность АЦП
/>
/>, где /> -допустимая погрешность, следовательно прибор отвечает качеству измерений.
Заключение.
Наоснове технического задания был разработан измерительный прибор, основанный надействии вибродатчика СЕТТ1 (на тензорезисторах), который применяется, какправило, для измерения относительного перемещения.
В ходе выполнения работы не была учтена экономическаячасть, что может отразиться на высокой стоимости прибора.
Список рекомендуемойучебной и справочной литературы:
1. Гусев В.Г., ГусевЮ.М. Электроника: Учебное пособие для приборостроительных спец.вузов. М: Высшая.школа.,1991.- 622с.
2. Гусев В.Г., Мулик А.В. Проектирование электронных аналоговых
измерительныхустройств: Учеб. пособие.-Уфа: УАИ, 1990.-97с.
3. Гусев В.Г., Мулик А.В. Аналоговые измерительные устройства: Учеб. пособие.-Уфа: УГАТУ,1996.-147с.
4. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник для вузов/Ю.Ф. Опадчий, О.П.Глудкин, А.И.Гуров; Под ред.О.П.Глудкина.-М:Горячая линия-Телеком, 1999.-768с.
5. Клюев В.В. Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара.Справочник “Измерения в промышленности”. М: “Металлургия”, 1990г.
6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники=Тпе аи оГ е1ес1гошсз: В Зт./
Перевод с англ.Б.Н.Бронина и др.-4-е изд., перераб. и доп.-М.: Мир.
7. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/ [П.П.Мальцев и др.].-М.:
Радиои связь, 1994.-239с.
8. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / М.И.Богданович,
И.Н.Грель,С.А.Дубинина, В.А.Прохоренко, В.В.Шамило.-2-е изд., перераб. и доп.-Минск: Беларусь, Полымя, 1996.-605с.
9. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие / под ред. С.В.Якубовского.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Радио и связь,
1985.-432с.
10.Интегральные микросхемы: Операционные усилители: Справочник /
А.В.Перебаскин,А.А.Бахметьев, С.О.Колосов и др.- М.: Физматлит. Т.1.- 1993.-240с.
11.Интегральныемикросхемы: Справочник.- М.: ДОДЭКА; Вып.Г: Микросхемы для аналого-цифровогопреобразования и средств мультимедиа.-1996.-384с.
12.Однокристальные микроЭВМ: Справочник / Боборыкин А.В. и др. -
М..-МИКАП.1994.-400с.