Абсолютная погрешность преобразования
Наименование и область применения
Одной из актуальных проблем современной техники является измерение параметров вибраций, ударов и шумов. Сегодня нельзя назвать практически ни одного объекта контроля или производственного процесса, который не испытывал бы воздействие вибрационных, ударных или акустических нагрузок. Исследования колебательных процессов представляют большой интерес для всех отраслей народного хозяйства – металлургии, энергетического машиностроения, ракетной техники и так далее. Разрабатываются способы борьбы с вредным воздействием вибраций, ударов и шумов в технике и природе. Интенсивно изучаются землетрясения, представляющие собой эпизодические колебания, вызванные освобождением потенциальной энергии упругих деформаций земной коры, происходящих в момент её разрывов в местах концентрации напряжений. Тщательно контролируются вращающиеся или перемещающиеся в различных направлениях с большой скоростью узлы и механизмы крупных сооружений и агрегатов, такие как : электрогенераторы тепла и гидростанции, гребные винты кораблей, авиационные и ракетные двигатели и тому подобное, являющиеся источником возникновения интенсивных периодических и непериодических вибрационных процессов. Особую опасность представляют известные умножения колебаний, возникающие на резонансных частотах упругих конструкций. Возникающие при вибрациях и ударах инерционные силы могут вызвать напряжения, превышающие предел прочности конструкции, или относительные перемещения деталей в недопустимых пределах. Из-за вибраций значительно снижается срок службы оборудования, ухудшается качество его работы.
|
|
|
Вредное воздействие на человека оказывает и шум, представляющий собой акустические колебания в воздушной среде.
Вибрационные процессы могут служить источником информации для диагностики машин и механизмов как средство раннего обнаружения их неисправности. Общеизвестны акустические приборы, определяющие дефекты, размеры и физико-математические свойства материалов 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 схема электронного 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 датчика выберем тензорезистивный преобразователь СЕТТ1
Технические характеристики преобразователя:
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 до 98
Габаритные размеры, мм 65 x 44 x 33
Масса, кг 0.33
Срок службы (часов), не менее 5000
Чувствительным элементом виброизмерительного датчика являются тензорезисторы. Действие тензорезистивных измерительных преобразователей основано на использовании тензоэффекта, который заключается в том, что под действием приложенной растягивающей или сжимающей силы проводниковые материалы изменяют удельную электрическую проводимость.
|
|
|
В ненагруженном состоянии сопротивление R проводника, имеющего длину ℓ, 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 вследствие приложения внешних сил.
Выберем тензорезистор проволочный в виде плоской беспетлевой решётки, выполненный из тонкой проволоки диаметром 10мкм из константана на бумажной основе, типа ПКБ-10-200
Технические характеристики тензорезистора:
Номинальное сопротивление 200Ом
Рабочий диапазон температур -50 до +50 ˚С
Активная база, мм 10
Габаритные размеры, мм 25 x 4.5
Коэффициент тензочувствительности 2,0±0.2
Номинальный рабочий ток, мА 30
|
|
|
Предел измерения относительных деформаций 0.0003
Поперечная чувствительность от продольной 2%
Электрическая схема виброизмерительного преобразователя с тензорезисторами.
Условия равновесия моста:
1) 
2) 
Коэффициент тензочувствительности:
, где 
-коэффициент тензочувствительности.
Для константана 
;
-длина активной базы;
Для ПКБ-10-200 
мм
R – сопротивление тензорезистора
R=200 Ом
Допустим 
мм
 ,
мм
| 0 | 0.3 | 0.6 | 0.9 | 1.2 | 1.5 | 1.8 | 2.0 |
 , Ом
| 0 | 12 | 24 | 36 | 48 | 60 | 72 | 80 |
Пусть 
, тогда по условию равновесия:
| ,
мм
| 0 | 0.3 | 0.6 | 0.9 | 1.2 | 1.5 | 1.8 | 2.0 |
 ,
мВ
| 0 | 0.9 | 1.8 | 2.7 | 3.6 | 4.5 | 5.4 | 6 |
Усилитель напряжения.
Выходное напряжение с виброизмерительного датчика необходимо усилить. Для этого используем микросхему операционного усилителя К140УД15.
Технические характеристики усилителя:
, 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
Коммутатор
Коммутатор предназначен для подключения одного из вибродатчиков на вход аналого-цифрового преобразователя. Управление коммутатором осуществляется микропроцессорной системой, которая передаёт на него код с номером коммутируемого канала.
Выберем микросхему КР590КН1, которая представляет собой 8-канальный коммутатор с дешифратором на МОП-транзисторах для коммутации напряжений от –5 до +5 В.
Корпус прямоугольный пластмассовый.
238.16.2
Микросхема КР590КН1 имеет следующие 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-цифровой преобразователь.
Для реализации аналого-цифрового преобразования выходного сигнала коммутатора выбрана микросхема К1113ПВ1А, которая представляет собой функционально законченный 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…+4.9 В в параллельный двоичный код.
В состав ИС входят ЦАП, компаратор напряжения, регистр последовательного приближения (РПП), источник опорного напряжения (ИОН), генератор тактовых импульсов (ГТИ), выходной буферный регистр с тремя состояниями, схемы управления.
Выходные каскады с тремя состояниями позволяют считывать результат преобразования непосредственно на шину данных микропроцессора, по уровням входных и выходных логических сигналов сопрягаются с транзисторно-транзисторной логикой (ТТЛ) схемами. В измерительных системах выходной ток цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) сравнивается с током входного резистора от источника питания (ИП) и формируется логический сигнал регистра последовательного приближения (РПП). Стабилизация разрядных токов цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) осуществляется встроенным источником опорного напряжения (ИОН). Тактирование регистра последовательного приближения (РПП) обеспечивается импульсами встроенного генератора тактовых импульсов (ГТИ). Установка регистра последовательного приближения (РПП) в исходное состояние и запуск его в режим преобразования производится по внешнему сигналу “гашение и преобразование”. По окончанию преобразования аналого-цифровой преобразователь (АЦП) вырабатывает сигнал “готовность данных ” и информация из регистра последовательного приближения (РПП) поступает на цифровые выходы через каскады с тремя состояниями.
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 5 В±5%
Uп2 -15 В±5%
Напряжение смещения нуля на входе -0.3…+0.3% ПШ
Выходное 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 преобразования
в конечной точке шкалы -0.2…+0.2% ПШ
ПШ – от полной шкалы
Микропроцессорная система.
Микропроцессорная система предназначена для управления аналого-цифровым преобразователем (АЦП), приёма с него информации в виде цифрового кода, её обработки, хранения и вывода на индикаторное устройство и для управления внешним устройством через интерфейс связи.
В качестве микропроцессорной системы выбрана микросхема 8-разрядной однокристальной ЭВМ с РПЗУ КМ1816ВЕ751А
Это позволяет получить лучшие массогабаритные показатели прибора, более высокую надёжность и меньшее энергопотребление. Это возможно благодаря тому, что микросхема объединяет в себе все узлы, необходимые для автономной работы:
- центральный 8-разрядный процессор
- память программ объёмом 4 Кбайт с возможностью увеличения до 64 Кбайт за счёт подключения внешних микросхем памяти
- память данных объёмом 128 байт с возможностью увеличения до 64 Кбайт
- четыре 8-разрядных программируемых порта ввода-вывода, отдельные выводы которых 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 | вход | |||
| Р3.3 | Вход внешнего запро- са на прерывание 1 | вход | |||
| Р3.4 | Вход таймера/счётчика 0 | вход | |||
| Р3.5 | Вход Таймера/счётчика 1 | вход | |||
| Р3.6 | Выход стробирующе- го сигнала при чте- нии из внешней памяти данных | выход | |||
| Р3.7 | Выход стробирующе- го сигнала при чте- нии из внешней памяти данных | выход | |||
| 18 | BQ2 | Выводы для подклю-чения кварцевого резо-натора | выход | ||
| 19 | 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 микросхемы КМ1816ВЕ751А
Номинальное напряжение питания 5 В±5%
Выходное напряжение низкого уровня ≤0.5 В
Выходное напряжение высокого уровня ≥2.4 В
Ток потребления, мА ≤220
Входной ток низкого уровня, мкА ≤500
Входной ток высокого уровня, мА ≤|-2.5|
Ток утечки сигналов РО (0…7) ≤100мк
Потребляемая мощность, Вт 1.4
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 298; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!