Проектирование виброметра

Измерительная техника- один из важнейших факторов ускорения научно-технического прогресса практически во всех областях народного хозяйства.

При описании явлений и процессов, а также свойств материальных тел используются различные физические величины, число которых достигает нескольких тысяч: электрические, магнитные, пространственные и временные, механические, акустические, оптические, химические, биологические и другие.

При этом указанные величины отличаются не только качественно, но и количественно и оцениваются различными числовыми значениями.

Установление числового значения физической величины осуществляется путём измерения.

Результатом измерения является количественная характеристика в виде именованного числа с одновременной оценкой степени приближения полученного значения измеряемой величины к истинному значению физической величины.

При реализации любого процесса измерения необходимы технические средства, осуществляющие восприятия, преобразование и представление числового значения физических величин.

На практике при измерении физических величин применяют электрические и неэлектрические методы.

Электрические методы измерений получили наиболее широкое распространение, так как с их помощью достаточно просто осуществлять преобразование, передачу, обработку, хранение, представление и ввод измерительной информации в ЭВМ.

Получение и обработка измерительной информации предназначены не только для достижения требуемого качества продукции, но и организации производства, учёта и составления баланса количества вещества и энергии. В настоящее время важной областью применения измерительной техники является автоматизация научно-технических экспериментов.

Для повышения экономичности проектируемых объектов, механизмов и машин большое значение имеют экспериментальные исследования, проводимые на их физических моделях. При этом задача получения и обработки измерительной информации усложняется настолько, что её эффективное решение становится возможным лишь на основе применения специализированных измерительно-вычислительных средств.

Широкие возможности открылись перед измерительной техникой в связи с появлением микропроцессоров и микроЭВМ. Благодаря им значительно расширились области применения средств измерительной техники, улучшились их технические характеристики, повысились надёжность и быстродействие, открылись пути реализации задач, которые ранее не могли быть решены.

По широте и эффективности применения микропроцессоров одно из первых мест занимает измерительная техника, причём всё более широко применяются микропроцессоры в системах управления. Трудно переоценить значение микропроцессоров и ЭВМ при создании автоматизированных средств измерений, предназначенных для управления, исследования, контроля и испытаний сложных объектов.

Развитие науки и техники требует постоянного совершенствования средств измерительной техники, роль которой неуклонно возрастает.

Техническое задание на проектирование виброизмерительного прибора.

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 65x44x33

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 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 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

Пусть

, тогда по условию равновесия:

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.