Разработка информационно-измерительной системы удаленного действия для измерения веса

Разработка информационно-измерительной системы удаленного действия для измерения веса

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Факультет: телекоммуникаций

Кафедра: метрологии и стандартизации

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту на тему

«РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УДАЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕСА »

Студентка гр. 662101

Е.П. Язевич

Руководитель

В.Г. Басов

Минск 2010

Содержание

информационный измерительный напряжение метрологический

Введение

1.  Обзор методов решения аналогичных задач

2.      Выбор, обоснование и предварительный расчет структурной схемы. Диаграмма уровней

.        Описание принципа работы структурной схемы

.        Описание схемы электрической частотного детектора

.        Электрический расчет частотного детектора

.        Определение метрологических характеристик измерительного канала и определение его класса точности

Заключение

Список литературы

Введение

Развитие производства, эксплуатация различных объектов невозможно без измерения большого числа физических величин (ФВ). Измерительные приборы разнообразны по своему назначению и характеризуется такими параметрами как чувствительность, точность и т.п. Однако большая часть из них позволяет одновременно измерять какую-либо одну величину. Причем, эта ФВ имеет установившееся значение, а внешние условия не изменяются. На практике, в производстве или в научных исследованиях приходится иметь дело с огромным потоком информации, т.e. получать сведения о большом количестве ФВ, которые в свою очередь, могут быстро меняться.

В развитии современной измерительной техники наметились общие тенденции, из которых главными являются: переход от единичных приборов к измерительным системам, в том числе к самонастраивающимся и адаптивным системам; развитие измерительных подсистем в робототехнических комплексах и совершенствование систем активного контроля; применение микропроцессоров в измерительных системах и устройствах для переработки измерительной информации, применение числового программного управления процессом измерений, приведшим к созданию информационно-измерительных систем (ИИС).

ИИС - совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и др. вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки в целях представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления функций контроля, диагностики, идентификации.

В ИИС объединяются технические средства, начиная от датчиков, АЦП, каналов передачи и кончая устройством выдачи информации, а также вычислительные средства с соответствующим программным обеспечением. Последние необходимы как для управления работой собственной системы, так и для решения в ИИС измерительных и вычислительных задач, а также управление конкретным экспериментом.

Задача, решаемая ИИС, обратная задаче отдельного измерительного устройства: не расчленять параметры объекта измерения с целью выделить и воспринять их по отдельности, а объединить данные обо всех главных параметрах объекта и создать тем самым достаточно полное, совокупное его описание. Таким образом, отличительными особенностями ИИС являются: одновременное измерение многих параметров объекта (т.е. многоканальность) и передача измерительной информации в единый цент; представление полученных данных, в том числе их унификация, в виде наиболее удобном для последующей обработки получателем.

Создание ИИС связано с решением системных вопросов: метрологическая унификация средств измерений (датчиков, преобразователей, указателей) независимо от вида измеряемых величин; оптимизация распределения погрешностей между различными средствами измерений, входящими в ИИС; наиболее целесообразное размещение указателем перед оператором. Структурная схема любой ИИС показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема ИИС

Где 1,2,...N - устройство сбора и измерения информации. Этими устройствами являются датчики, воспринимающие различные ФВ и преобразующие их в электрические сигналы; измерительные устройства, выполняющие собственно-измерительные операции: сравнение с мерой, квантование, кодирование.

Устройство обработки информации предназначено для выполнения математической обработки измерительной информации по заданному алгоритму. Сюда же может входить устройство запоминания для хранения информации.

Устройство отображения информации - для предоставления полученной информации оператору, которое может состоять из декодирующих, регистрирующих и показывающих устройств.

Устройство управления - для организации взаимодействия всех остальных устройств.

В реальных ИИС некоторые устройства могут отсутствовать. Например: устройство обработки или хранения информации. Но устройство сбора, измерения и представления информации характерны любой ИИС.

Кроме основных, в системах имеются вспомогательные устройства, обеспечивающие нормальное функционирование остальных. ИИС могут быть выполнены в виде самостоятельных устройств или входить в структуру более сложных систем.

В настоящее время широко используются интегральные датчики, МП и т.п., что коренным образом меняет принцип построения ИИС. ЭВМ обрабатывает результаты измерений по разработанной программе и выдает требуемые данные на экран дисплея или выводит на печать в удобной форме.[5]

Структурная схема ИИС для удалённого сбора данных представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема ИИС для удалённого сбора данных

ИИС удаленного действия включает: устройство сбора данных (УСД), измерительное устройство (ИУ), устройство отображения (УО), устройство управления (УУ), оператор (О), датчики (Д₁…Д_n), коммутатор (К), устройство преобразования информации (УПИ), накопитель (Н) и линию связи (ЛС).

В таких ИИС количество измерительных каналов N может быть 32, 64, 128, 256 и т. д.[6]

1. Обзор методов решения аналогичных задач

В качестве датчиков в ИИС веса используются тензодатчики веса.

Простейшей ИИС веса являются цифровые тензометрические весы. Рассмотрим их структурную схему (рисунок 3)

Рисунок 3 - Структурная схема ЦТВ

Цифровые тензометрические весы (бытовые с измерением нагрузки до 10 кг, напольные с нагрузкой до 150 кг) состоят из двух основных частей: грузоприемной платформы с тензодатчиками и микропроцессорного устройства (МПУ). В качестве тензодатчиков могут быть использованы как серийно выпускаемые датчики класса точности 0.05..0.15, так и специально разработанные датчики, например, удобные для применения в малогабаритных бытовых весах.

Микропроцессорное устройство (МПУ) используется для усиления сигналов датчиков, преобразования в цифровой код, опроса измерительных каналов, обработки результатов измерений. МПУ позволяет опрашивать до 7 измерительных каналов, проводить линеаризацию градуировочных характеристик датчиков и суммирование результатов нескольких измерений. Характеристики МПУ совместимы с выпускаемыми промышленностью тензодатчиками. Эксплуатационные возможности цифровых тензометрических весов значительно расширяются c объединением с персональным компьютером. Это позволит, например, вести непрерывное слежение за изменением массы в течение длительного периода времени в тех или иных процессах, с регистрацией в заданные моменты времени. Получаемые данные предоставляется отображать в виде графиков или таблиц изменения массы.

МПУ, представленное на рисунке 3, состоит из следующих основных блоков: усилитель аналогового сигнала, АЦП, схемы дешифрации, микропроцессора, блока регистров. Усилитель используется для усиления низковольтного сигнала от датчика до уровня сигнала, который может преобразовать АЦП. АЦП дискретизирует выходные сигналы датчиков силы. АЦП выполнен на микросхеме MAX118CPI. Достоинства микросхемы: цифровой интерфейс совместимый с микропроцессором, возможность опроса до 7 аналоговых каналов с частотой 1.23MHz, время перевода в дискретную форму (660 ns), низкое энергопотребление 40 mW в рабочем режиме и 5 mW в режиме отключения. После перевода в цифровую форму данные выдаются на 8 разрядную шину данных.

В МПУ используется микропроцессор AT89C51. Выбор этого типа микропроцессора обусловлен тем, что однокристальные микро-ЭВМ семейства АТ89 программно и аппаратно совместимы с микроконтроллерами семейства MCS51 фирмы Intel и отечественными микроконтроллерами серий 1816/51 и 1830/51. Они отличаются использованием в них в качестве внутренней постоянной памяти репрограммируемого запоминающего устройства с электрическим стиранием записи (Flash memory), что существенно упрощает процедуру репрограммирования, позволяет выполнять запись кодов в постоянную память после установки микроконтроллера в аппаратуре и снижает стоимость микросхемы по сравнению с микроконтроллерами со стиранием памяти ультрафиолетовым облучением. В МПУ используется блок регистров, поэтому применена схема дешифрации. Она выдает разрешающий сигнал одной или другой микросхеме на выдачу данных, приходящих по одной шине. Схема собрана на микросхеме К555ИД4, которая позволяет обслуживать два регистра. Блок регистров, используется для временного хранения информации, поступаемой от микропроцессора, и последующей выдачей ее на семи сегментные индикаторы.

После подачи напряжения питания на схему, происходит инициализация микропроцессора, проверяется работоспособность всех устройств, входящих в МПУ. Обращение микропроцессора к АЦП производится путем посылки адреса аналогового канала. После этого начинается преобразование аналогового сигнала в дискретный сигнал. Во время преобразования микропроцессор находится в режиме ожидания конца преобразования. После появления сигнала от АЦП, подтверждающего окончание преобразования, данные считываются во внутренние регистры микропроцессора. Далее микропроцессор производит обработку данных: линеаризацию, учитывает температурную погрешность, переводит значение напряжения в значение массы, которое затем в двоичнодесятичном виде передается в блок регистров, из которых, затем выводится полученное значение на семи сегментные индикаторы.

Для бытовых весов в качестве датчика используется стальное кольцо, изготовленное из стали 30ХГН3МА и закаленное до 30 HRC. На внутреннюю и внешнюю стороны кольца наклеиваются тензорезисторы сопротивлением 400 , соединенные в мостовую схему. Кольцо верхней стороной крепится к крепежному устройству, а к нижней стороне крепится, в простейшем случае крюк, на который помещается груз. Крепежное устройство позволяет, при небольших отклонениях от вертикального положения корпуса самих весов, выровнять датчик в вертикальное положение, тем самым уменьшить погрешность измерений. В напольных весах предполагается использовать серийно выпускаемые тензодатчики силы.[7]

Весы вагонные железнодорожные ВВЭ-СД-150 (150т, 200т) для взвешивание в статике и в движении.

Весы вагонные (весы железнодорожные) ВВЭ-СД предназначены для взвешивания в статике (по ГОСТ 29329) и в движении (по ГОСТ 30414) состава в целом, жд вагонов в составе без расцепки, порожних и смешанных составов, цистерн с жидкими грузами любой вязкости.

ЖД Весы ВВЭ-СД достаточно просты при эксплуатации.

Статические измерения: производится полуавтоматическая регистрация массы вагона, установленного на весах.

Динамические измерения:при динамическом измерении вес железнодорожного вагона автоматически регистрируется при прохождении состава по весам.

Ответственный за контроль (Оператор-терминала) вносит номера вагонов, данные о грузе и получает распечатку с результатами взвешивания состава в целом и каждого вагона.

С весами может быть поставлена система контроля загрузки вагона, в соответствии с его техническими характеристиками (грузоподъемностью)

Система коммуникаций между весами и терминалом может быть подключена к сети Ethernet для быстрого обмена информацией и удаленного контроля (контроль в реальном времени, использование результатов взвешивания службами предприятия).

С весами может поставляться система дозирования загрузки вагона в соответствии с его грузоподъемностью.

Весы могут быть объединены в сеть Ethernet для обмена информацией (взвешивание тары на одних весах, брутто груза на других весах, использование результатов взвешивания службами предприятия, контроль отгрузки в реальном времени).

Опционально к электронному весовому оборудованию может быть поставлено система автоматического считывания кодов вагонов при измерении груза.

Весы ВВЭ-СД , в соответствии с требованиями МПС, поддерживают регистрацию разности нагрузок по тележкам, смещение центра тяжести груза, сторонам вагона.

Технические особенности реализации электронных ЖД (вагонных) весов ВВЭ-СД:

·        регистрируют разность нагрузок по тележкам и сторонам вагона;

·        имеют наивысший класс точности взвешивания в движении;

·        обеспечивают взвешивание в движении цистерн с жидкими грузами любой вязкости.

·        позволяют дозировать и выравнивать загрузку вагона;

·        рассчитаны на большие грузопотоки;

АРМ оператора-весовщика

Весоизмерительный прибор (ПЭВМ в промышленном исполнении), монитор, клавиатура, принтер, радиомодем

АРМ оператора-весовщика устанавливается в весовой комнате на удалении до 1000 м от грузоприемного устройства.

Схемы рабочего подключения электронных ЖД весов для взвешивания в статике и движении ВВЭ-СД представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 -Схема весов ВВЭ-СД структурная.

Весы состоят из следующих структурных элементов: 1. Мост весовой; 2. Весоизмерительный датчик; 3. Узел въезда; 4. Вставка;

Метрологические характеристики весов в режиме статистического взешивания (по ГОСТ 29329) приведены в таблице 1.

Таблица 1

Метрологические характеристики весов в режиме взвешивания в движении приведены в таблице 2

Таблица 2

Весы вагонные железнодорожные для взвешивания в движении и статике ВВЭ-Д

Весы вагонные железнодорожные ВВЭ-Д предназначены для взвешивания в движении (по ГОСТ 30414) и в статике (по ГОСТ 29329) вагонов в составе без расцепки и состава в целом, груженных твердыми, сыпучими грузами и цистерн с жидкими грузами, вязкость которых не менее чем у топливных мазутов (59 мм²/с), а также порожних и смешанных составов.

По дополнительному заказу с весами поставляется система оптического считывания номеров вагонов при взвещивании.      

В соответствии с требованиями МПС весы регистрируют разность нагрузок по тележкам и сторонам вагона, смещение центра тяжести груза.

Особенности весов вагонных ВВЭ-Д:

·        имеют наивысший класс точности взвешивания в движении вагона;

·        рассчитаны на большие грузопотоки;

·        регистрируют разность нагрузок по тележкам и сторонам вагона;

·        обеспечавают взвешивание в статике вагонов потележечно.

Схемы весов вагонных для взвешивания в движении и статике ВВЭ-Д представлена на рисунке 5

Рисунок 5 - Схема весов ВВЭ-Д структурная

Метрологические характеристики весов представлены в таблице 3

Функциональные возможности весов вагонных для взвешивания в движении и статике ВВЭ

Весы вагонные для взвешивания в движении ВВЭ-Д обеспечивают:

взвешивание повагонно в движении и потележечно в статике гружённых, порожних и смешанных составов; ;

доступ оператора-весовщика по индивидуальному паролю;

регистрацию Ф.И.О. оператора-весовщика, производившего взвешивание;

отображение и регистрацию в базе данных:

номер вагона по порядку;

номер вагона бортовой;

род груза;

БРУТТО;

ТАРА;

НЕТТО;

грузоподъёмность;

значение массы недогруза/перегруза;

разность масс по тележкам вагона;

разность масс левой и правой сторон вагона;

дата и время взвешивания;

направление и скорость при взвешивании;

формирование и распечатку отчетов по запросу оператора-весовщика;

передачу информации о результатах взвешивания в информационные сети предприятия.[8]

Таблица 3

Весы конвейерные

Электронные конвейерные весы АВП-К предназначены для определения массы материала, перемещаемого ленточными конвейерами, с непрерывной автоматической регистрацией результатов взвешивания.

Режим взвешивания - непрерывный.

Характеристики и возможности электронных конвейерных весов АВП-К:

Оригинальное суммирующее устройство весов передает усилие с двух весовых роликоопор на один тензометрический датчик.

Нечувствительность к усилиям от паразитных боковых смещений ленты и несимметричного расположения материала на ленте обеспечивается конструктивными особенностями грузоприемного устройства весов.

Установка на конвейерах с шириной ленты от 400 до 2000 мм.

Регулируемая по высоте установка грузоприемного устройства - специальные регулировочные винты позволяют легко выставить весовые ролики при настройке весов "по струне".

Подрессоренный датчик скорости обеспечивает надежный контакт с лентой по ненагруженной ветви.

Непрерывная индикация текущей производительности и расхода материала с начала отчетного периода (смены).

Регистрация времени работы конвейера с перегрузом (выше 100%).

Отдельная регистрация расхода материала при минимальной загрузке конвейера (ниже 20%).

Встроенная система подогрева электронного оборудования весов для неотапливаемых галерей конвейеров в условиях низких температур.

Мобильность - весы легко могут быть перенесены на другой конвейер.

Способность безотказной работы в тяжелых условиях - весы не требуют специального обслуживания в условиях повышенной влажности, запыленности, большого градиента температур и пр.

Многокомпонентный учет материала на одном конвейере.

Удаленное размещение пульта оператора - до 1000 м от весов.

Режим работы - круглосуточный.

Контроль скоростного режима конвейера.

Применение высокоточных датчиков силы, электроники и кабелей.

Схема конвейерных весов приведена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема конвейерных весов.

Технические характеристики весов приведены в таблице 4.

Таблица 4

Применение весов - любые ленточные конвейера с шириной ленты от 400 до 2000 мм. [9]

2. Выбор, обоснование и предварительный расчет структурной схемы. Диаграмма уровней

Рисунок 7 - Структурная схема ИИС удалённого действия для измерения веса

Для измерения веса используются тензометрические датчики SC 10000 C1 образные тензодатчики типа SC были разработаны для измерения силы и массы с высокой точностью при высоких перегрузках и работают по принципу сжатия. Безупречная и надежная конструкция корпуса позволяет выдерживать большие горизонтальные и вертикальные нагрузки и тяжелые условия эксплуатации. Корпус имеет степень защиты IP68, выполнен из специальной стали и покрыт антикоррозийной краской, область тензорезистров закрыта приваренной крышкой из нержавеющей стали. Областью применения датчиков SC являются в основном большегрузные автомобильные и платформенные весы, системы взвешивания цистерн, автоматические системы взвешивания и т.п.

Основные характеристики датчиков приведены в таблице 5. [10]

Для передачи сигналов от датчиков используется частотное разделение каналов, что ускоряет процесс сбора информации с датчиков.

Частоты генераторов поднесущих примем 200кГц, 400кГц, 600 кГц, 800кГц, 1000кГц, 1200кГц.

Интервал времени срабатывания датчиков Δt=0,01с. Отсюда частота срабатывания f=100Гц. Полоса частот ЧМ сигнала для β=0,7

.   (1)

Полоса частот АИМ сигнала для τ_и=10мкс и τ_уст=0,1мкс

.  (2)

Таблица 5

Датчики включены в мостовую схему с термокомпенсацией. На вход мостовой схемы подаётся напряжение 12В. Изменение сопротивления датчика составляет 3 Ом, следовательно, выходное напряжение мостовой схемы будет равно

.  (3)

.Для дальнейшей передачи его необходимо усилить. Для этого используем двухкаскадный усилитель на транзисторах КТ306А, с коэффициентом усиления 146 раз. На выходе усилитель получаем сигнал

.   (4)

Напряжение на выходе элементов, ослабление которых приведено в дБ будет вычисляться по формуле:

 .    (5)

Модуляторы и сумматор дают ослабление 1дБ. Напряжение на выходе частотного модулятора:

.   (6)

Напряжение на выходе сумматора:

.   (7)

Напряжение на выходе амплитудно-импульсного модулятора:

.   (8)

Для передачи сигнала по оптоволоконной линии его необходимо усилить. Для этого используем усилитель на транзисторе КТ339А с коэффициентом усиления 11раз. Сигнал на выходе усилителя равен:

.   (9)

Для передачи сигнала выберем оптоволоконный кабель ОМЗКГЦ 50-01-0,75-32-(70) (производство Белтелекабель) с коэффициентом ослабления 0,75дБ/км. Так как расстояние передачи составляет 15км, то суммарное ослабление по мощности в оптоволоконном кабеле составит 11,25дБ. Напряжение на выходе линии передачи составит:

.   (10)

Детектор несущей (АИМ-детектор) даст ослабление в 0,5дБ:

.   (11)

Фильтр поднесущей даст ослабление 6дБ. Напряжение на его выходе

.   (12)

В качестве ЧМ-детектора используем детектор отношений, который даст ослабление 8,93 раза. Напряжение на его выходе

.   (13)

Рисунок 8 - Диаграмма уровней

3. Описание принципа работы структурной схемы

Тензометрические датчики включены в мостовую схему с термокомпенсацией (рисунок 9), так как изменение сопротивления подводящих проводов с изменением температуры может внести существенную погрешность.

Рисунок 9 - мостовая схема с термокомпенсацией

Поскольку в ИИС мы используем частотное разделение каналов, то каждому каналу нужно выделить определенную полосу частот. Для этого мы используем модуляторы поднесущих и генераторы поднесущих.

Сигналы, пропорциональные измеряемым величинам, с тензодатчиков Д1-Д6 усиливаются и поступают на вход частотных модуляторов (модуляторов поднесущих) МП1-МП6. На другой вход модуляторов подаётся напряжение с генераторов поднесущей частоты ГП1-ГП6. Напряжение генераторов промодулированное по частоте подается на суммирующее устройство, с которого результирующее напряжение поступает на амплитудно-импульсный модулятор (модулятор несущей), на который подается и сигнал от генератора несущей ГН. В модуляторе осуществляется вторичная модуляция, после чего сигнал может быть передан в ОВЛС. Так как ОВЛС дает большое затухание, то сигнал необходимо усилить. После усиления сигнал поступает в передающее устройство.

На приемной стороне колебания поступают на демодулятор несущей ДН, где выделяется ЧМ сигнал, который бал получен на выходе сумматора. Полосовыми фильтрами Ф1-Ф6 (фильтры поднесущей) выделяются поднесущие колебания, соответствующие ЧМ колебаниям после каждого частотного модулятора. Полученные колебания поступают на демодуляторы поднесущей ДП1-ДП6, которые из ЧМ сигнала выделяют информационные сигналы, полученные от датчиков. ФНЧ позволяют отфильтровать шумы, возникающие в процессе преобразования и передачи сигнала. Через ФНЧ сигналы поступают на модуль АДАМ 4016, который выполняет функцию АЦП. Модуль АДАМ 4520 позволяет интегрировать сети устройств низшего уровня (таких как АДАМ 4016) с устройствами более высокого уровня (ЭВМ). Обработка и визуальное наблюдение полученной от датчиков информации осуществляется посредством ЭВМ.[5]

4. Описание схемы электрической частотного детектора

Рисунок 10 - Детектор отношений.

Частотный детектор состоит из двух каскадов: фазовращающего трансформатора (включает в себя катушки индуктивности L1-L3 и конденсаторы С1 и С2) и детектора отношений. Катушка L1 передает реакцию цепей диодов в первый контур. Диоды VD1 и VD2 включены встречно, следовательно, выпрямленные напряжения складываются. Благодаря тому, что параллельно С3 и С4 включен конденсатор большой емкости С6, сумма напряжений на резисторах R1 и R2 остается практически неизменной при изменениях амплитуды напряжения на входе каскада и равна напряжению на конденсаторе С6. Изменение напряжений на диодах в процессе модуляции приводит к изменению отношения напряжений на резисторах R1 и R2. по этой причине рассматриваемый каскад получил название детектора отношений.

Выходное напряжение изменяется пропорционально отклонению частоты и очень слабо зависит от колебаний амплитуды входного сигнала.[1]

5. Электрический расчет частотного детектора

Исходные данные для расчета

β=0,7

R_н=5кОм

f_с=100Гц

Δf=200Гц

f_н=1МГц

R₁=R₂=10кОм

U_д=1В

Определим R_{вх д} детектора. В схеме используем диод КД103А со следующими характеристиками: i₀=0,05мА, γ=5В-1, U_пр=1В, I_пр=50мА.[4]

Рассчитаем величины А и В_с

;  (14)

.  (15)

Из рисунка 11 находим R_{вх д} =0,6·10·10³=6 кОм.

Определим параметры фазовращающего трансформатора. Выберем затухание незагруженных контуров d_эо=0,01. Требуемое эквивалентное затухание нагруженного контура при этом равно

.  (16)

Рассчитаем емкость контура, обеспечивающую необходимое d_э:

 ;   (17)

.  (18)

Из ряда предпочтительных чисел выбираем значение емкости конденсатора 22пФ.

Индуктивности контуров равны

.  (19)

Находим коэффициент связи между катушками

.   (20)

Индуктивность катушки L₁

.   (21)

Девиация сигнала

.   (22)

Добротность нагруженных контуров

.   (23)

Собственная добротность контуров должна быть намного больше рабочей добротности. Поэтому зададимся Q₀=10⁶.

Рассчитаем обобщенную расстройку

.  (24)

Глубина амплитудной модуляции

;  (25)

. (26)

Из рисунка 11 определим коэффициент передачи детектора для постоянного тока К_д=0,6.

Отношение сопротивления нагрузки детектора по постоянному току к сопротивлению нагрузки по переменному току

.  (27)

Определим коэффициент передачи диодного детектора по низкой частоте

.  (28)

Определим напряжение на выходе детектора

.[1] (29)

Для расчета С₃ и С₄ воспользуемся постоянной времени заряда τ_з и постоянной времени разряда τ_р.

,   (30)

где R_д=0,05Ом - сопротивление диода по постоянному току.

.    (31)

Сумма τ_з и τ_р равна периоду несущего колебания

.  (32)

Выразим из формулы 32 С

. (33)

Из ряда предпочтительных чисел выбираем значении емкости конденсаторов равное 220пФ.

Емкость С₅ примем равной С₃ и С₄.

Емкость С₆ должна быть большой и выбирается из условия С₆·2R₁=0,2..0,5. Выразим отсюда емкость С₆

   (34)

В соответствии с рядом предпочтительных чисел С₆=15мкФ.

6. Определение метрологических характеристик измерительного канала и определение его класса точности

Рисунок 12 - Обобщенная структурная схема измерительного канала с учетом вносимых погрешностей.

На рисунке 12 обозначены: Δд - погрешность датчика(Д); Δу - погрешность усилителя (У); Δгп - погрешность генератора поднесущей(ГП); Δчм - погрешность частотного аммодулятора (МП); Δс - погрешность сумматора (C); Δаим - погрешность амплитудно-импульсного аммодулятора (АИМ); Δлс - погрешность линии связи(ЛС); Δдн - погрешность демодулятора несущей (ДН); Δф - погрешность фильтра(Ф); Δдп - погрешность демодулятора поднесущей (ДП); Δфнч - погрешность фильтра низких частот (ФНЧ); Δацп - погрешность АЦП (АДАМ). Δуо - погрешность устройства обработки информации (ЭВМ).

При расчете суммарных погрешностей будем использовать с.к.о. Переход к с.к.о. нужен для уменьшения влияния деформации законов распределения погрешностей при их сложении.[2]

Погрешность тензодатчика γ_д=0,05%, приняв закон распределения погрешности равномерным определим с.к.о. датчика:

.   (35)

Так как датчик включен в мостовую схему с термокомпенсацией, то погрешность проводов от изменения температуры вычисляется по формуле

.   (36)

В характеристиках датчика задана длина провода 6м и его диаметр 8мм, следовательно сопротивление проводов R_L=530Ом. Для меди Δr/r=0,004

.   (37)

.  (38)

Приняв закон распределения погрешности равномерным, определим с.к.о. подводящих проводов

.   (39)

Погрешность усилителя зависит от изменения коэффициента усиления усилителя от температуры и нестабильностью источника питания.

Рассчитаем погрешность усилителей от температуры.

Для усилителя на транзисторах КТ306А_н = 1 кОм, R_к = 1 кОм, R_бэ = 1 кОм, h_11э = 900 Ом, Δh_21э/Δt= 0,004 и _вх = R_бэ + h_11э = 1900 Ом.

Коэффициент усиления рассчитывается по формуле

;   (40)

Коэффициент усиления для h_21э=46 будет равен

.  (41)

Изменение коэффициента усиления от температуры

.   (42)

Для первого каскада

.  (43)

Относительное изменение коэффициента усиления

.   (44)

Для первого каскада относительное изменение коэффициента усиления

.   (45)

Относительное изменение коэффициента усиления для двух каскадов

.  (46)

Для усилителя на транзисторе КТ339А_н = 1 кОм, R_к = 1 кОм, R_бэ = 1 кОм, h_11э = 700 Ом, Δh_21э/Δt= 0,025 и _вх = R_бэ + h_11э = 1700 Ом.

Коэффициент усиления для h_21э=37,4, по формуле (40), будет равен

.   (47)

Изменение коэффициента усиления от температуры определим по формуле (42)

.  (48)

Относительное изменение коэффициента усиления определим по формуле (44)

   (49)

Обобщенное относительное изменение коэффициента усиления всех усилителей будет равно

.  (50)

А так как закон распределения погрешности равномерный, то с.к.о. будет равно:

.   (51)

Погрешность коэффициента усиления усилителя, вызванная колебаниями напряжения питания распределена по треугольному закону и для ее нахождения по выходным характеристикам транзистора усилителя найдем изменение напряжение питания в соответствии с заданным в условием его допустимым отклонением. Допустимое отклонение составляет ±10 %. Из выходных характеристик транзистора КТ306А находим, что при таком изменении напряжения питания изменение напряжения ΔU_кэ1=0,01В для первого каскада и ΔU_кэ2=0,1В для второго каскада. Напряжение на выходе первого каскада U_кэ1=0,314В, для второго - U_кэ2=3,8В.[3] Относительное изменение выходного напряжения

.   (52)

Для первого каскада усилителя

.   (53)

Для второго каскада усилителя

.   (54)

Относительное изменение выходного напряжения для первого усилителя

.   (55)

Из выходных характеристик транзистора КТ339А находим, что при таком изменении напряжения питания изменение напряжения ΔU_кэ=0,9В. Напряжение на выходе второго усилителя U_кэ1=29,59В. Относительное изменение выходного напряжения

.   (56)

Обобщенное относительное изменение выходного напряжения всех усилителей, вызванная колебаниями напряжения питания, будет равно по формуле (50):

.   (57)

С.к.о. для треугольного закона распределения

.   (58)

Нестабильность частоты генераторов поднесущей и несущей частот будет зависеть от изменения емкости конденсаторов при изменении температуры. Воспользуемся формулой Томпсона

Для заданного диапазона температур и выбранной группы ТКЕ (Н10) допустимое изменение номинала конденсаторов составляет 10%.

;   (60)

. (61)

С.к.о. погрешности генераторов при равномерном законе распределения составит

.   (63)

Определим погрешность модуляции и демодуляции измерительного сигнала.

От датчика поступает сигнал с частотой 100 Гц, коэффициент шума на входе  дБ, индекс частотной модуляции β = 0,7. Погрешность частотной модуляции определится по формуле:

.  (64)

Для амплитудно-импульсного модулятора f_д=200кГц, τ_и=10мкс

Погрешность амплитудно-импульсной модуляции определится по формуле:

. (65)

Суммарная погрешность модуляторов измерительного канала будет равна:

.  (66)

С.к.о. для равномерного закона распределения для модуляторов и демодуляторов составит

.   (67)

Погрешности нестабильности частоты генераторов, модуляторов и демодуляторов сведем в общую погрешность модуляции:

.  (68)

Погрешность устройства сбора и обработки информации (модули ADAM серии 4000), определим как погрешность 16-ти разрядного АЦП, воспользовавшись следующей методикой:

 , где   (69)

;    (70)

;   (71)

;   (72)

.   (73)

Для известных ΔS_оп = 0,2 мВ, S_max(t) = 0,5 В, m = 24 - разрядность АЦП, = m = 24 - разрядность микропроцессора.

;   (74)

;   (75)

;  (76)

;   (77)

;  (78)

.  (79)

Приняв закон распределения погрешности АЦП равномерным получим с.к.о.:

;  (80)

В условии к курсовому проекту задана нестабильность источника питания ±10%. Найдем с.к.о. изменение напряжения питания, учитывая, что погрешность распределена по треугольному закону:

.   (81)

Погрешность линии связи не учитывается, так как она построена на оптоволоконных кабелях, обеспечивающих минимально возможные затухания и ошибки передачи сигналов. Погрешность кабеля может определяться лишь погрешностью его изготовления, что теоретически вычислить довольно трудоемко.

Вычисленные погрешности можно разделить на аддитивные и мультипликативные:

аддитивные погрешности: температурная погрешность датчика, погрешность модуляции, погрешность АЦП, изменение коэффициента усиления усилителя от температуры;

мультипликативные погрешности: изменение коэффициента усиления усилителя от нестабильности напряжения источника питания, нестабильность напряжения источника питания.

Все конечные результаты расчета погрешностей сведены в итоговую таблицу 5.

Таблица 5

Так как погрешность АЦП значительно меньше остальных погрешностей, то ей можно пренебречь.

Среднее квадратическое отклонение аддитивной составляющей характеризует результирующую погрешность в начале диапазона измерений. Для определения с.к.о. результирующей погрешности в конце диапазона измерений с.к.о. аддитивной и мультипликативной составляющих должны быть просуммированы.

Суммарное с.к.о. для аддитивных погрешностей (в начале диапазона измерений)

. (82)

Суммарное с.к.о. для мультипликативных погрешностей будет равняться

.  (83)

Суммарное с.к.о. для всех погрешностей (в конце диапазона измерений)

.  (84)

Для перехода от с.к.о к погрешностям измерений используется энтропийный коэффициент k, значение которого зависит от законов распределения суммируемых с.к.о. и соотношения самих с.к.о.

В данном случае k имеет следующие значения:

Для аддитивных погрешностей k=1,87

Для мультипликативных погрешностей k=2,01

Для суммарной погрешности k=2,01

Найдем суммарные погрешности

%;   (85)

%;  (86)

.  (87)

Класс точности, в соответствии с ГОСТ 8.401-80, для данной ИИС - 20/10.[2]

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы была разработана информационно-измерительная система удаленного действия для измерения веса. В курсовом проекте рассмотрен принцип ее действия. Произведен расчет затуханий напряжения в каждом блоке системы, а также электрический расчет одного из блоков (частотного детектора). Для разработанной ИИС были рассчитаны метрологические характеристики, а также присвоен класс точности.

Список литературы

1.      Проектирование радиоприемных устройств / Под общей ред. А. П. Сиверса. - М.: Сов. радио, 1976

2.      Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - 2е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1991. - 304с.

.        Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник/ К.М.Брежнева, Е.И.Гантман, Т.И.Давыдова и др. Под ред. Б.Л.Перельмана. - М.: Радио и связь, 1981. - 656с

4.  Москатов Е.А. Справочник по полупроводниковым приборам. Издание 2. Таганрог, 219 с.

5.      Информационно-измерительные системы: учеб.-метод. пособие. В 3 ч. Ч 1: Принципы построения/ В.Г. Басов. - Мн.: БГУИР, 2006. - 91с.

6.      Информационно-измерительные системы. Основы проектирования: учеб.-метод. пособие. В 3 ч. Ч 2: Принципы построения/ В.Г. Басов. - Мн.: БГУИР, 2007. - 78с.

7.      http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=4671

8.      http://mega-mialan.ru/cat-vesovoe/art-vagvesi/83-vesi-jeldor-vve-sd.html

9.      http://www.avitec.ru/catalogue/11.htm

10.    http://www.esitufa.ru/?p=Produkciya&rubric_id=40