Розробка вимірювача потоку рідини

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Федеральне агентство з освіти РФ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УНІВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛІННЯ ТА РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ (ТУСУР)

Кафедра промислової електроніки (ПРЕ)

ВИМІРЮВАЧ ШВИДКОСТІ ПОТОКУ РІДИНИ

2009

Зміст

Введення

  1. Аналіз технічного завдання

  2. Розробка структурної схеми пристрою

  3. Вибір елементної бази

  4. Розрахунок і вибір елементів електричної принципової схеми пристрою

  1. Оцінка похибки вимірювання

Висновок

Список літератури

Введення

У даному курсовому проекті вирішується задача синтезу, тобто проектування електронного пристрою заданого функціонального призначення та розрахунку параметрів елементів обраної схеми, що задовольняють заданим вимогам технічного завдання.

Процес проектування завжди пов'язаний з вибором оптимального варіанта з декількох можливих, тобто пристрій повинен бути якомога менших розмірів, забезпечувати високу точність, мінімальні витрати на його виробництво. Аналіз електронних схем показує, що побудувати вимірювальні пристрої, одночасно задовольняють вимогам мінімуму маси та габаритних розмірів, високої якості і швидкодії вимірювання при високих енергетичних показниках, неможливо через обмеження, властивих використовуваним методом.

Цей пристрій розраховано на високу точність (близько 2%), легкість у розумінні роботи і налаштування вимірювального пристрою.

1. Аналіз технічного завдання

Метою аналізу технічного завдання є, перш за все, визначення його деяких моментів, без яких неможливо здійснити подальше проектування. При аналізі даного технічного завдання слід вибрати об'єкт вимірювання.

Точність вимірювання мінімальної швидкості потоку в абсолютних одиницях становить:

Виходячи з вимірюваного діапазону, визначимо мінімальну і максимальну частоту замикань датчика і відповідні цим частотам інтервали часу:

При визначенні частоти замикань і розмикань датчика за певний період часу задана точність вимірювання не буде досягнута. Тому в якості об'єкта вимірювання необхідно вибрати інтервал між замиканнями контактів, і потім цей інтервал буде перетворений у швидкість потоку рідини з виведенням показань на індикатори.

2. Розробка структурної схеми пристрою

Структурна схема вимірювача швидкості потоку рідини, заснована на аналізі технічного завдання, зображення на рис. 3.1

Рис. 3.1 Структурна схема вимірювача швидкості потоку рідини.

Схема заснована на вимірюванні числа імпульсів з генератора опорної частоти (ГОЧ) за 3 спрацьовування датчика швидкості за допомогою двійкового лічильника імпульсів СТ2, і надалі їх усередненні й перетворенні середнього значення в код індикації за допомогою перетворювача (X / Y) та видачі на пристрій індикації відбір 3 х імпульсів датчик швидкості (ДС) здійснюється за допомогою двійкового лічильника СТ1 і елементів «І-НЕ» і «І». Після проходження 3 х імпульсів СТ1 елемент «І» закривається і імпульси ДС не надходять. У схемі повинен бути передбачений генератор тактових імпульсів (ГТВ) з періодом імпульсів Тгті = 2 хв. і часом імпульсу t імп = 10 мкс., необхідним для скидання лічильників. При цьому після кожного імпульсу лічильники скидаються, завмер відбувається за час не більше , А решту часу до 2 х хвилин нові свідчення висвічуються на пристрої індикації. Для проведення перевірки в схемі передбачено ключ (К) і перевірочний генератор імпульсів G обр. При натисканні ключа вхід пристрою перемикається з датчика швидкості на вихід повірочного генератора G обр. Приймемо, що частота імпульсів повірочного генератора повинна бути розрахована таким чином, щоб за 3 його імпульсу на індикаторах з'явилося число «888.88».

Тимчасові діаграми, що пояснюють роботу пристрою, наведено на рис. 3.2:

3. Вибір елементної бази

Після вибору та обгрунтування структурної схеми заданого електронного пристрою необхідно зробити вибір елементної бази. У першу чергу необхідно вирішити про тип елементної бази, найбільш підходящому для проектованого електронного пристрою.

1) лише ІМС (інтегральні мікросхеми);

2) Тільки ДЕ (дискретні елементи);

3) ІМС і ДЕ (змішаний тип елементної бази);

Найбільш підходящим для проектування заданого вимірника є перший тип «тільки ІМС». Практично ж пристрій, побудоване на ІМС, завжди мають деяку кількість дискретних елементів, які виконують допоміжні функції.

Далі необхідно скласти перелік критеріїв в пріоритетному порядку для вибору, як дискретних елементів, так і мікросхем. Критерії та їх пріоритети визначаються, в першу чергу, умовами технічного завдання, а також іншими завданнями, які розв'язуються при проектуванні електронних пристроїв чи іншого напряму. Так, наприклад, при проектуванні пристроїв вимірювальної електроніки вирішуються завдання збільшення точності показань пристрою, зменшення його похибки, маси, габаритів, вартості.

Виходячи з вище викладеного, складемо перелік критеріїв в пріоритетному порядку для вибору інтегральних мікросхем:

1) Мінімальне енергоспоживання;

2) Мінімальні габарити;

3) Мінімальна маса;

4) Мінімальна вартість;

Найменшим споживанням потужності мають мікросхеми КМОП серій, тому при проектуванні вимірювача будемо спиратися на мікросхеми саме цієї серії, розрахованих на напругу живлення 9 В. Вибір ІМС буде здійснено за безпосередньої розрахунку електричної принципової схеми.

Складемо перелік критеріїв в пріоритетному порядку для вибору дискретних елементів:

1) Мінімальні габарити корпусу;

2) Мінімальна маса;

3) Мінімальна ціна;

Вибір дискретних елементів також буде здійснено за безпосередньої розрахунку електричної принципової схеми пристрою.

4. Розрахунок і вибір елементів електричної принципової схеми пристрою

Пристрій індикації.

Для індикації показань швидкості потоку рідини використовуємо семисегментні індикатори типу АЛС324А з типовою схемою включення [2]. Індикатор має наступні параметри:

Номінальний струм світіння I св.ном .= 10мА; Пряме падіння напруги на світлодіоді при номінальному струмі світіння Δ U сд = 2В.

Для перетворення 4 розрядного двійково-десяткового коду цифри в код індикації використовуємо спеціалізовані дешифратори типу К561ІД4 з типовою схемою включення [3]. Для запалювання комою в сегменті HG 3 триває підключити через струмообмежуючі резистор R св до напруги джерела живлення U п = 9В.

Визначимо опір і потужність цього резистора:

За спр [4] вибираємо резистор типу С2-23-0.125-680 Ом ± 5%

Вибір лічильника опорних імпульсів.

Для забезпечення заданої точності вимірювання період імпульсів ГОЧ повинен бути рівний:

Виходячи з величини визначимо мінімальні і максимальні число імпульсів, що надходять на лічильник за один цикл вимірювання:

Визначимо розрядність лічильника імпульсів ГОЧ:

14 розрядний двійковий лічильник імпульсів реалізуємо на основі каскадного включення мікросхем типу К561ІЕ10 [3]. Одна мікросхема містить у собі два 4 розрядних асинхронних лічильника. Для реалізації 14 розрядного двійкового лічильника потрібно дві мікросхеми.

Перетворювач коду.

В якості перетворювача вихідного коду лічильника в двійково-десятковий 5 зошитовий код швидкості потоку рідини використовуємо постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ), запрограмувавши його відповідним чином. Розрядність вхідний адресної шини цього ПЗУ повинна бути не нижче:

по розрядності лічильника імпульсів ГОЧ, а розрядність шини вихідних даних повинна бути не нижче:

(По числу тетрад двійково-десяткового коду).

Як ПЗУ використовуємо паралельне включення двох мікросхем типу КР587РП1 з типовою схемою включення [3]. Ця мікросхема є ПЗУ на основі програмованої логічної матриці (ПЛМ) з 14 розрядної вихідною шиною даних і з двома адресними шинами 14 розрядної і 4 розрядної. Напрямок потоку інформації задається відповідними керуючими сигналами.

Вибір лічильника імпульсів датчика швидкості.

Для підрахунку імпульсів датчика швидкості достатньо використання 2 розрядного лічильника імпульсів. Тому в якості лічильника імпульсів датчика швидкості використовуємо мікросхему типу К561ІЕ10 [3]. Мікросхема є 4 розрядним лічильником.

Розрахунок генератора опорної частоти.

Як було обчислено вище, період імпульсів ГОЧ повинен бути рівний і для досягнення заданої точності показань також мати не нижче заданої точності, тому генератор опорної частоти повинен бути з кварцовою стабілізацією. Схема ГОЧ з кварцовою стабілізацією частоти зображена на рис. 5.5.1 [5].

Рис. 5.5.1 Схема ГОЧ з кварцовою стабілізацією частоти.

Період вихідних імпульсів ГОЧ визначається тільки частотою кварцевого генератора. Визначимо необхідну частоту кварцового генератора:

Вибираємо кварцовий резонатор типу РК 169МА 14БП 12.5кГц-В [6].

Як елементи «І-НЕ» для ГОЧ використовуємо мікросхему типу К561ЛА7.

Розрахунок і вибір елементів генератора тактових імпульсів.

Генератор тактових імпульсів (ГТВ) повинен генерувати послідовність тактових імпульсів з періодом і часом імпульсу . Схему такого ГТВ спроектуємо на основі генератора з кварцовою стабілізацією і дільника частоти. Функціональна схема такого ГТВ зображена на рис. 5.6.1:

Рис. 5.6.1 Функціональна схема ГТВ.

Як елементи «І-НЕ» для генератора з кварцовою стабілізацією частоти використовуємо вище обрану мікросхему типу К561ЛА7. Визначимо вихідну частоту генератора з кварцовою стабілізацією і частоту кварцового резонатора:

Вибираємо кварцовий резонатор типу РК 169МЛ 14БП 100кГц-В [6].

Визначимо коефіцієнт розподілу дільника частоти:

Дільник частоти з даними коефіцієнтом розподілу спроектуємо на основі послідовного включення двох мікросхем програмованих лічильників типу К561ІЕ15 [3].

Таблиця 5.6.1. Програмований лічильник

Таблиця 5.6.2. Вибір входів і коефіцієнта ділення лічильника

Таблиця 5.6.3. Робочі стану лічильника ІС К564ІЕ15.

Мікросхема представляє собою програмований лічильник-дільник з коефіцієнтом розподілу № 3 ... 21327 з дискретом, рівним одиниці.

Лічильник може працювати в двох режимах розподілу і однократного рахунку. Режим поділу є режим, коли на виході утворюються імпульси з частотою f вх / N і тривалістю, що відповідає періоду надходить частоти f вх. Режим одноразового рахунку представляє собою режим, коли після надходження на вхід запрограмованих N імпульсів на виході мікросхеми з'являється сигнал високого рівня, не змінний з приходом наступних тактових імпульсів.

Мікросхема складається з чотирьох рахункових секцій: основний зчитування, що складається з підсекції модуля і залишку та підсекції тисяч, секції одиниць, секції десятків і секції сотень. Кожна секція являє собою чотирирозрядний лічильник з попередньою установкою, що працює на віднімання.

Робота мікросхеми описується наступним виразом:

(5.6.1)

Де N коефіцієнт розподілу, М-модуль встановлюється по входах Ka, Kb, Kc; P 1 множник тисяч, встановлюється входами J 1 J 4; P 2, P 3, P 4 - множники сотень, десятків, одиниць, кожен встановлюється відповідною четвіркою входів J 13 J 16, J 9 J 12, J 5 J 8; P 5 залишок, встановлюваний входами J 1 J 4.

Модуль М призначений для швидкого ступінчастої зміни частоти в 10; 12,5; 20; 25; і 50 разів і може приймати значення відповідно 2, 4, 5, 8, 10. Числа Р1 Р4 можуть бути представлені як у десятковій, так і в шістнадцятковій системі числення. При завданні цих чисел десятковим кодом найбільший коефіцієнт розподілу N = 15999. Для введення в мікросхему числа Р1 Р5 повинні бути представлені в двійковому коді. Мікросхему можна представити як два послідовних віднімає лічильника. Перший лічильник (підсекція модуля і залишку) здійснює розподіл на М, другий ділить імпульси частоти f вх / M на число, рівне вираженню в дужках.

З початком рахунку в підсекцію модуля і залишку вводиться число, рівне модулю, і в ході рахунку на виході підсекції виникають імпульси з частотою f вх / M, поки не скінчиться рахунок другого лічильником, що має місце, коли поточне число стане рівним 1. У цей час відбувається перезапис вихідного числа N у всі розряди лічильника, після чого починається новий цикл рахунку.

Для установки мікросхеми в початковий стан необхідний режим попередньої установки Kb = Kc = 0 не менше трьох повних періодів тактової частоти.

Коефіцієнт розподілу дільника частоти при послідовному включенні вибраних мікросхем визначиться зі співвідношення , Де і - Коефіцієнти розподілу частоти для першої та другої послідовно включених мікросхем, що визначаються співвідношенням:

Приймемо тоді

Розпишемо коефіцієнти . З виразу 5.6.3 для отримання необхідних величин і :

М1 = 5; р1.1 = 2; р2.1 = 0; р3.1 = 0; р4.1 = 0; р5.1 = 0;

М2 = 2; р1.2 = 0; р2.2 = 3; р3.2 = 0; р4.2 = 0; р5.2 = 0;

Виходячи з отриманих коефіцієнтів згідно з таблицями 5.6.2 та 5.6.3, визначимо стану настановних входів для обох мікросхем:

Для створення рівня логічного нуля висновок мікросхеми необхідно з'єднати із загальною шиною, а для створення рівня логічної одиниці висновок мікросхеми слід підключити до джерела живлення через резистор опором 10 кому.

Вибір датчика швидкості потоку рідини.

Як датчик швидкості потоку рідини, що задовольняє технічним завданням, використовуємо датчик об'ємної витрати рідини турбінний типу Дортен 3 [7]. Схематична конструкція датчика зображена на рис. 5.7.1:

Рис. 5.7.1 Схематична конструкція датчика

Він складається з труби з немагнітного матеріалу, по якій протікає рідина. У трубі розташована на осі турбинка з декількома магнітними лопатами, а з зовні труби розташовуються герконові контакти. При проходженні магнітної лопаті поруч з герконом контакт замикається. Таким чином, чим більше швидкість потоку рідини, тим більше частота обертання турбіни, і тим більше частота замикань герконовий контактів.

Розрахунок повірочного пристрою.

Для перемикання пристрою в режим повірки використовуємо ключ. Повірочний індикатор тактових імпульсів (G обр) повинен бути розрахований таким чином, щоб у режимі «повірка» на індикаторах відображалося показання «888.88». Приймемо, що ПЗУ буде запрограмований таким чином, що задане число буде висвітлюватися при числі імпульсів N обр = 51. Виходячи з цього визначимо період генерації імпульсів зразкового генератора:

Повірочний генератор імпульсів з точною витримкою спроектуємо на основі інтегрального таймера типу КР1006ВІ1 [5].

Одна з поширених схем автоколивальних мультивібратора наведена на рис. 5.8.1

Рис. 5.8.1 автоколивальний мультивибратор.

До включення джерела живлення Е конденсатор був розряджений. Після включення джерела в перший момент конденсатор залишається розрядженим, і напруга на ньому, а отже, і на з'єднаних між собою контакти 2 і 6 інтегрального таймера дорівнює 0. При цьому напруга на контакті на контакті 2 (нульовий) виявляється меншою порогового рівня U 1, компаратор DA 2 включається, виробляючи вихідний сигнал, що впливає на вхід R тригера. На виході тригера встановлюється сигнал логічного нуля, на вихідному контакті 3 інтегрального таймера - сигнал логічної 1, тобто з рівнем Е1. Вихідна напруга + Е1 починає заряджати конденсатор З t через резистор Rt з постійною часу τ = RtCt (передбачається що вихідний опір інвертора DD 1 значно менше Rt). Коли напруга на С1 перейде пороговий рівень U 1, компаратор DA 2 вимкнеться. Однак RS тригер залишиться в тому ж положенні, оскільки сигнал на його інсталяційний вхід S ще не надійшов. Заряд конденсатора триває. Коли напруга на конденсаторі Ct, а отже, і на контакті 6 таймера перевищить рівень U 2, включається компаратор DA 1 і вихідний сигнал з нього надходить на вхід S тригера і перемикає його в стан логічної 1 на виході. На контакті 3 інтегрального таймера встановлюється логічний 0 (E 0). Конденсатор Ct починає розряджатися через резистор Rt від напруги U 2 до рівня E 0. Коли напруга знизитися до U 1, відбудеться чергове переключення вихідної напруги.

Графіки напруги на конденсаторі Ct і вихідному контакті 3 інтегрального таймера показані на рис. 5.8.1

Вважаючи, що тривалість вихідного імпульсу відповідає сигналу логічної одиниці на контакті 3, визначимо тривалість вихідного імпульсу. З огляду на експонентний характер зміни напруги на конденсаторі Ct при його зарядці, не складно одержати вираз:

Проміжок часу між вихідними імпульсами:

Для точної оцінки періоду коливань використовується вираз:

Времязадающих конденсатор виберемо типу К10-170-25В 0.047мкФ [4].

З виразу 5.8.3 визначимо величину опору времязадающих резистора:

Як времязадающих резистора вибираємо подстроєчний многообратний резистор з роздільною здатністю δ R = 0.1% типу СП5-2ВА 0.5-24кОм ± 10% [4].

Вибір інших логічних мікросхем

В якості логічних елементів "І" рис. 3.1 використовуємо мікросхему типу К561ЛА7 з послідовним включенням елементів.

Для з'єднання аналізатора з датчиком швидкістю і живильному напругою використовуємо роз'єм типу ГРПМ [4].

5. Оцінка похибки вимірювання

Задана точність вимірювання забезпечується розрядністю лічильника імпульсів. Оскільки генератор опорних імпульсів спроектований з використанням кварцового резонатора, то похибка вимірювання не перевищить заданої точності.

Висновок

Розроблений пристрій (вимірювач швидкості потоку рідини), призначений для контролю витрати рідини в закритих і відкритих системах її циркуляції, дозволяє вимірювати швидкість потоку рідини в межах від 1 до 100 м / с.

З метою забезпечення точності, надійності роботи пристрою і його простоти, більшість вузлів виконано в інтегральному виконанні. При цьому сумарна похибка вимірювання не перевищує 2%.

Список літератури

  1. В.А. Скворцов, А.В. Сокира, Електронні ланцюга та мікро - схемотехніка. Частина II: Методичні вказівки до курсового пректу. - Томськ ТУСУР, 2007. - 31 с.

  2. Б.Л. Лісіцин. Вітчизняні прилади індикації і їх зарубіжні аналоги: Довідник. - М.: Радіо і зв'язок, 1993-432 с.

  3. Б.В. Тарабрін, Л.Ф. Лунін, Ю.М. Смирнов и др. - М.: Радіо і зв'язок, 1983. - 528 с.

  4. М.М. Акімов, Є.П. Ващуком, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок - Резистори, конденсатори, трансформатори, дроселі, комутаційні пристрої РЕА Мн.: Білорусь, 1994-591 с.

  5. В.М. Герасимов, В.А. Скворцов. Електронні ланцюги і мікросхемотехніка. Короткий курс лекцій для студентів спеціальності «Промислова електроніка». - Томськ: ТУСУР, 1998-176 с.

  6. Г.І. Пухальський, Т.Я. Новосельцева. Проектування цифрових пристроїв на інтегральних мікросхемах: Довідник. - М.: Радіо і зв'язок, 1990-304 с.

  7. В.Е. Нізе, І.В. Антика. Довідник по засобам автоматики. - М.: 1983-504 с.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Курсова
61.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Дослідження потоку рідини в каналі змінного перерізу
Розробка вимірювача вологості
Розробка технологічного процесу виготовлення передньої панелі вимірювача мікропробоя ІМП-3Т
Розробка технологічного процесу виготовлення передньої панелі вимірювача мікропробоя ІМП 3Т
Проектування цифрового вимірювача ємності й індуктивності
Вимірювання параметрів сигналу Структура оптимального вимірювача
Аналіз потоку грошових коштів
Пристрій поділу цифрового потоку даних
Вимірювання щільності потоку енергії НВЧ випромінювання
© Усі права захищені
написати до нас