Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний авіаційний університет

Кафедра інформаційно-вимірювальних систем

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни „Вимірювальні перетворювачі”

на тему: ”Вимірювальний перетворювач тиск-струм ”

Виконала:

студетка групи 412 ІС

Заіка Ганна Володимирівна

Київ 2013

Вступ

Тиск та його вимірювання почали відігравати надзвичайну роль, як у повсякденному житті, так і в пізнанні природи, дослідженні нових явищ тощо із початком їх досліджень учнем Галілея, а саме, Єванджеліста Торрічеллі, що ставив експерименти зі ртуттю вважається першопрохідцем на цих теренах, ще в середині сімнадцятого сторіччя зробивши відкриття про тиск атмосфери Землі на її поверхню. Також, багато видатних фізиків, відомих нам тепер, досліджували це явище: Паскаль, Бойль, Бернуллі та ін.. На відкритих ними законах й понині тримається значна частина сучасної динаміки та механіки. Важко уявити собі світ без гідравліки та двигунів, вимірювання атмосферного тиску та артеріального, тощо. Отже таке фізичне явище, як тиск займає провідне місце у житті та розвитку науки і людства в цілому. вимірювальний перетворювач струм напівпровідник

Реалізовано вимірювальний перетворювач тиск-струм за допомогою напівпровідникового датчику тиску Honeywell 24PCG на основі мікросхеми Burr-Brown у вигляді вимірювального перетворювача XTR. Моделювання перетворювача проводимо за допомогою пакету прикладних програм Multisim.



1. Теоретична частина

Тензодатчик - вимірювальний перетворювач деформації твердого тіла,спричиненої механічними напруженнями в електричний сигнал,призначений для подальшої обробки.Бувають металеві (дротяні, фольгові, плівкові) і напівпровідникові(Пластинчасті).

В основі принципу роботи металевих тензорезисторів лежить явище тензоеффекта, що полягає у зміні електричного опорупроводить матеріалу при його механічної деформації.

Тензометричний датчик ( тензодатчик , від лат tensus - напружений . ) - Датчик , що перетворює величину деформації в зручний для вимірювання сигнал (зазвичай електричний) , основний компонент тензометра ( приладу для вимірювання деформацій ) [ 1]. Існує безліч способів вимірювання деформацій : тензорезистивного [ 2] , оптико - поляризаційний [ 1] , п'єзорезистивного , волоконно -оптичний [ 3] , або простим зчитуванням показань з лінійки механічного тензодатчика . Серед електронних тензодатчиків , найбільшого поширення набули тензорезистивні датчики .

Тензорезистивного датчик зазвичай являє собою спеціальну пружну конструкцію із закріпленим на ній тензорезистором та іншими допоміжними деталями. Після калібрування , щодо зміни опору тензорезистора можна обчислити ступінь деформації , яка буде пропорційна силі , прикладеної до конструкції.

1.1 Класифікація

Існують різні типи датчиків:

· датчики сили ( вимірює зусилля і навантаження)

· датчики тиску (вимірювання тиску в різних середовищах )

· акселерометри ( датчик прискорення )

· датчики переміщення

· датчики крутного моменту

Дротові тензодатчики

Опір металевого дроту є функцією питомого опору матеріалу p, його довжини L і площі його поперечного перерізу A:

Коли дріт розтягнуть, його довжина збільшується на , його діаметр зменшується на , і його опір збільшується на , при цьому питомий опір залишається постійним. Підставляючи ці варіації в рівняння (2.4) і зневажаючи більш високими порядками прирощень, одержуємо наступний вираз:

де - коефіцієнт Пуассона, тобто відношення поперечного стиснення до осьового розтягнення.

Коефіцієнт тензочутливості визначається як:

У датчиках, що не наклеюються (або приварюються), як випливає з назви, дріт натягнуть між ізольованими стійками. Одна стійка приєднана до нерухливої частини, а інша до конструкції, що переміщається в заданому напрямку. Переміщення, які призводять до розтягнення дроту, виміряються відповідними змінами в його опорі. Цей пристрій знаходить застосування в деяких перетворювачах сили й прискорення.

У тензорезисторах, жорстко скріплених з поверхнею досліджуваного об'єкта, меандрична сітка високоякісного дротового опору затиснута між двома тонкими шарами паперу й просочена смолою, що надає необхідну міцність. Отриманий у такий спосіб датчик з'єднується з конструктивними елементами для визначення деформації в бажаному місці розташування. Чутливість такого датчика визначається коефіцієнтом тензочутливості:

де - зміна опору, Ом; R -опір датчика, Ом; ДL- зміна довжини, мм; L - початкова довжина сітки, мм.

Дротові тензодатчики швидко заміняються фольговими тензодатчиками, які можуть випускатися серійно, використовуючи стандартні фотолітографічні технології.

Фольгові тензодатчики. Фольгові тензодатчики виготовляються з константану або хромонікелевого сплаву листового матеріалу, що зменшений до 0,0025-0,0050 мм у товщину. Ця фольга після нанесення на матеріал підложки покривається фоторезистом. Використовуючи негатив збільшеного зображення датчика, складна схема датчика передається фоторезисту на фользі, використовуючи фотолітографські методи. Після прояву й хімічних процесів травлення, датчики цілком чіткі й можуть бути ізольовані для свинцево-провідного з'єднання, герметизації, і встановлення коефіцієнта тензочутливості для партії датчиків. Вісь датчика праворуч центрована з основною віссю. Датчик ліворуч автоматично вирівняний, для виміру деформації в поперечному напрямку. Ефективна довжина датчика - важливий параметр при виборі датчика, крім електричних контактних площадок, які не входять у рівняння перетворення. Сіткова ширина разом з довжиною датчика визначає площу поля деформації. Наприклад, вимірюючи деформації в залізобетонному бруску при наявності піску та цементу, цікавляться середньою деформацією, і з цієї причини повинні використовуватися датчики більшої довжини.

Поперечна чутливість фольгових датчиків зумовлена полем деформації, перпендикулярним до основного осьового поля. Вона зменшується завдяки тому, що сіткові поздовжні лінії фольгового датчика значно вужчі, ніж поперечні.

Тензодатчики тензорезистивні являють собою пружний елемент , на якому зафіксований тензорезистор , під дією сили (вага вантажу) відбувається деформація пружного елемента разом з тензорезистором . По зміні опору тензорезистора можна обчислити ступінь деформації , яка буде пропорційна силі , прикладеної до конструкції.

Принцип вимірювання ваги за допомогою тензодатчиків заснований на зрівноважуванні маси вантажу, що зважується з пружною механічною силою тензодатчиків і наступного перетворення цієї сили в електричний сигнал для подальшої обробки.

Тензодатчики є найбільш уразливими компонентами ваговимірювальної системи . У процесі експлуатації на вагові тензодатчики впливають : агресивне навколишнє середовище , ударні динамічні навантаження , електростатичне вплив ( зварювання) , вібрації і т.д. Тому в періоди технічного обслуговування , перед установкою в устаткування , а також в аварійних випадках , існує необхідність діагностики вагових тензодатчиків .

1.2 Схема включення тензодатчиків

Як правило тензодатчики об'єднують в тензорезистивного міст ( міст Уитстона ) . цедозволяє прецизійно відстежити зміну опір тензорезисторів іперетворити це зміна в електричний сигнал (напруга ) .

На міст подається опорна напруга ( 10 В). Коли на датчики не застосовується сила їхопір дорівнює початкового опору ( rд ) . У цьому випадку містурівноважений і на виході моста напруга дорівнює нулю. Якщо на датчики дієсила , то їх опір змінюється на величину дR , при чому тензорезистори у мостірозташовуються так , що при дії сили два резистора збільшують своєопір ( R (1 + д )) , а два інших зменшують ( R ( 1- д )) . У цьому випадку навиході моста напруга буде дорівнює : Uм = Д • Uоп . д - коефіцієнттензочутливості , виражається в мВ / В. Наприклад 2 мВ / В означає , що при дії номінальної сили і при рівні опорного напруги 10 В, на виході моста буде 20 мВ.

Рис.1 -Схеми включення тензодатчиків

Рис.2. - Схема електрична принципова перетворювача



1.3 Опис структурної схеми вимірювального каналу

На даний момент, аналогові і цифрові вимірювальні канали поєднуються під флагом інтелектуалізації.Вимірювальний сигнал передається аналоговим способом;цифровим - додаткова інформація.В аналогових сучасних інтерфейсах найбільше поширення набув аналоговий інтерфейс з струмовим сигналом вимірювальної інформації(4-20мА),які дозволяють поєднати передачу аналогових і цифрових сигналів в одній лінії звязку.

Датчик

Уніфікуючий перетворювач (U/I) - XTR 110

Уніфікуючий перетворювач (I/U) - RCV 420

Фільтр Низької Частоти (ФНЧ) - необхідний для зменшення ефекту накладання спектру при дискретизації вхідного сигналу .

АЦП призначений для представлення інформації у вигляді цифрового коду та подальшого відображення цифровим індикатором або передачі інформації для подальшої обробки цифровим процесором .

Датчик, ПУ та U/I утворюють резидентну частину; лінія зв'язку використовується двохдротова; I/U, ФНЧ, АЦП утворюють приймальну частину (ПК).Всі елементи, окрім ПУ(який ми і проектуємо у курсовій роботі), заданої схеми виконуються у вигляді інтегральних мікросхем.

Спроектована схема вимірювального каналу дозволяє також вимірювати силу та тиск.



2. Основні блоки і елементи схеми

Для узгодження первинного перетворювача з приладами системи його вихіднй сигнал повинен бути уніфікуючий, тобто відповідати деяким вимогам по рівню, силі,виду носія інформації і т.д., які визначаються відповідними ГОСТ. Так, у відповідності з ГОСТ 9895-78 в якості носія інформації прийнято електричні сигнали постійного і змінного струмів.

Рівні постійного струму в системі повинні змінюватись в наступних межах: 0-5мА; -0,5-0-5мА; 0-20мА; -20-0-20мА; 4-20мА; -100-0-100 мА.

Рівні напруги постійного струму мають відповідати наступним значенням: 0-10мВ; -10-0-10мВ; 0-20мВ; 0-50мВ; 0-100мВ; -100-0-200мВ; 0-1В; -1-0-1В; 0-5В; -5-0-5В; 1-5В; 0-10В; -10-0-10В.

Для проведення дистанційних вимірювань рекомендуються сигнали 0-1В; 0-5В; 1-5В(використовується у нашому випадку).

Широке використання засобів мікроелектроніки в сучасних ІВС вимагало введення в ряд уніфікованих сигналів напруги постійного струму 0-5В. Правильність цього введення полягає в тому,що:

1) Перехід на сигнал 5В (1мА) не понесе за собою погіршення метрологічних характеристик системи;

2) Набагато полегшує виробництво мікросхем приватного використання, так як для забезпечення виходу 5В (1мА) достатньо змінити без корпусні транзистори з граничними напругами колектор- емітер 15-20 В і дозволеною потужністю розсіювання 30-50 мВт;

3) Збільшується надійність;

4) Понижується потужність споживання;

Від УІП вимагаються тіж вимоги, що і до любого вимірювального перетворювача і експлуатаційної надійності. Підвищення метрологічних характеристик УІП, з однієї сторони може бути вирішено конструктивним шляхом - використанням сучасних мікроелектронних компонентів. Використання операційних підсилювачів в інтегральному виконанні дає можливість будувати УІП, вякі відрізняються від своїх попередників більш високим метрологічними характеристиками при рівній вартості і надійності. Інший шлях удосконалення УІП полягає в застосування алгоритмічних методів вимірювання, які володіють підвищеною точністю. Вже створені групові УІП, які мають основу похибку 0,1%, час встановлення 30-50 мс, діапазон 0-10мВ.

Серйозною проблемою являється забезпечення завадостійкості УІП. В групових УІП вирішення цієї задачі вступає в суперечність з вимогами підвищення швидкодії. Проблему завадостійкості потрібно розглядати комплексно для всього вимірювально каналу. Подавлення завади може бути досягнуто використанням екранування вимірювального каналу, використанням ефективності фільтрів на вході ІІС і т.п. Представляє інтерес використання в УІП принципів подавлення, застосованих при побудові цифрових вимірювальних приладів.

Значне подавлення завад може бути досягнуто при опрацюванні вимірювальної інформації по спеціальному алгоритму, так як можливості подавлення завади безпосередньо в УІП обмежені.

Основні функції, вякі виконуються УІП, зводяться до лінійних (масштабування, встановлення нуля, температурна компенсація ) і нелінійним (лінірезація) перетворення вихідних сигналів ПП.

При лінійній характеристик і первинного перетворювача УІП виконує лінійні операції, які називаються масштабуванням.

Мікросхема XTR 110

XTR110 - уніфікуючий вимірювальний перетворювач напруга в струм.

Мікросхема XTR 110 являє собою трьохпровідний передавач, подібний двохпровідному, за винятком того, що один з двох проводів заземлено та

добавлено третій провід. Це так званий провід блоку живлення. Третій провід призначений для живлення цього датчика.

Маючи у розпорядженні зовнішнє живлення передавача, легко виконати спряження з мостом низького опору.

В мікросхемі XTR 110 є опорна напруга 10 В, яка служить для збудження або ініціалізації струмів датчика.

Вимірювальний підсилювач використовується для того, щоб підсилювати вихід моста для узгодження зі входом XTR 110. В цьому випадку вимірювальний підсилювач є однополюсним джерелом живлення від 10В, який запобігає похибкам, що виникають в результаті коливання потужності.

Характеристики мікросхеми:

- перетворення струму в діапазоні ;

- діапазон напруг:, на вході і відповідно на виході;

- максимальна нелінійність;

- одиничне підсилення при використанні;

- широкий діапазон підсилення .

MANUFACTURER	PARTHO.	mW	BVesfl*	PACKAGE
Fenani	2VP1304A ZVP1304B ZVP13G6A ZVPS3O5B	40V 40V 60V 60V	20V 20V 2OV 20V	TO82 TO-39 TO^Z TO39
tntemaboral Recife*	RF9513	60V	20V	TO520
Motorola	MTP8P08	80V	20V	TT>220
RCA	RFL1P08 RFT2P08	80V 80V	20V 20V	TO-39 TO220
SScorax (preferred)	VPD300B VPO300L VP0300H VP0808B VP0808L VP0808M	30V 30V 30V 8OV 80V 80V	40V 40V 40V 40V 40V 40V	TO39 TOS2 TO-237 TO39 TO92 TO237
Supertax	VPI304N2 VP13O4N3 VP1306N2 VP13G6N3	40V 4OV 60V 60V	20V 20V 20V 20V	TO220 Tf>92 TO-22Q TCM2
NOTE: (1) BVgsj--Dram-source breakdown vofege. BV^--Gate-sotace breakdown voftage.



рис. 3.1. XTR110

За даними розробника мікросхеми, компанії Burr-Broun, похибки даної схеми:

- - зведена адитивна похибка мікросхеми XTR110 складає .

- - мультиплікативна похибка мікрохеми XTR110 складає .



3. Операційний підсилювач LT1490

Подвійний LT ® 1490 і чотириядерних LT1491 ОУ працювати на всіх одне і спліт харчування з загальним напругою 2В до 44V малюнок тільки 40 мкА з ток спокою в підсилювачі . Ці підсилювачі зворотного поставляти захищені , вони не проводять струм для зворотного харчування до 18V . Вхідний діапазон LT1490 / LT1491 включає в себе як матеріали і вихідний гойдалки для обох матеріалів . На відміну від більшості підсилювачів Micropower О.П. , LT1490 / LT1491 може керувати важкими вантажами , їх залізничних до залізничних 20мА диска. LT1490/LT1491 є одиничним посиленням стабільною і управляти всіма ємнісними навантаженнями до 10 000 пФ , коли додатковий 0.22мF і 150Щ використовується компенсація . /LT1491 мати унікальний вхідний каскад , який працює і залишається високим імпедансом , коли над позитивними харчування. Входах 44V диференціальних і загальний режим навіть при роботі на 3В харчування. Вбудовані резистори захисту входів для несправностей нижче негативного напруги до 22V . Там немає зміна фази на виході для входів 22В нижче V - 44V або вище V - незалежно від V + . LT1490 подвійний ОУ доступний в 8-контактного SO і PDIP пакетів. Quad LT1491 доступний в 14 -контактного SO і PDIP пакетів.

Вхідні і вихідні Один діапазон вхідного живлення: - 0.4V до 44V Micropower : 50мA/Amplifier Макс вказано на 3 В, 5 В і ± 15 В забезпечує високу вихідний струм: 20мА диски 10000 пФ компенсація потужності зворотного запобігання від батареї до 18 В. немає Поставка Секвенування Проблеми з високим коефіцієнтом посилення напруги: 1500V/mV Високий КОСС : 98дБ No Gain Phase Reversal Смуга пропускання: 200 кГц



4. Розрахункова частина

Пристрій узгодження(ПУ) для тензометричного датчика являє собою класичний вимірювальний підсилювач на трьох ОП. Для реалізації всіх блоків будемо використовувати ОП LT 1490, так як він прецизійний, вхідний та вихідний каскади якого виконані за схемою rail-to-rail, та струм живлення якого 50ма на один ОП.

,

звідки знаходимо

Розрахуємо резистори подільника напруги:

так як , а , то . Виходячи з цього, задаємо та розв'язавши отримаємо: .



5. Розрахунок і аналзіз похибок

Так як ми використовуємо схему послідовного типу, то приведена сумарна мультиплікативна та адитивна похибки вимірювання можуть бути визначені як відповідні алгебраїчні суми похибок кожного з блоків.

Всі класи точності задані у відсотках.

Згідно з умов похибками давачів, а також ФНЧ та АЦП.

=4,5-3,5=1 (%)

Сумарна мультиплікативна похибка включає в себе мультиплікативні похибки блоків тобто

- мультиплікативна похибка перетворювача напруга - струм (XTR 110) - паспортні данні -0,3%

- мультиплікативна похибка датчика - паспортні данні -0,05%

Знайдемо мультипліковану похибку ПУ =0,5-(0,3+0,05)=0,15 (%)

Сумарна приведена адитивна похибка

- приведена адитивна похибка перетворювача напруга - струм (XTR 110) - паспортні данні -0,2%

- приведена адитивна похибка датчика - паспортні данні - 0,06%

Знайдемо приведену адитивну похибку ПУ (%)

Розрахунок сумарної адитивної похибки ПУ

Адитивна похибка ПУ буде визначатися адитивною похибкою першим каскадом, тобто ЛП.

Сумарна складова напруги зміщення має п'ять складових, зумовлених такими чинниками:

- початковою напругою зміщення і температурним дрейфом;

- струмами зміщення;

- не оптимальністю послаблення синфазного сигналу;

- пульсаціями в колах живлення;

- шумовими властивостями вхідних кіл ОП.

Початкова напруга зміщення і температурний дрейф

Ця складова зумовлена початковою напругою зміщення нуля ОП, яка може бути ефективно скомпенсована, та температурним дрейфом напруги зміщення.

,

де - початкове зміщення нуля;

- дрейф зміщення нуля.

Вона враховується як додаткова похибка.В нашому випадку згідно з технічними характеристиками LT 1490:

1мВ.

Струми зміщення

Ця складова обчислюється як:

,

де ?Iзм- різниця струмів зміщення за LT 1490,а , отже

.

Не ідеальність послаблення синфазного сигналу

Вона обчислюється за формулою:

,

де - напруга на неінвертувальному вході DA1:

- коефіцієнт послаблення синфазного сигналу.

В інвертувальних каскадах ця складова дорівнює нулю =0, а в неінвертувальних перейде в розряд мультиплікативної зі значенням

,

де , отже

Пульсації по колах живлення

Складова пов'язана з проникненням в кола живлення ОП пульсацій різного походження та різного частотного діапазону. Її можна обчислити як

,

де - зміна напруги живлення ОП.

Каскад ОП виконаний за схемою Rail-to-Rail - амплітудне значення вхідної синфазної напруги на декілька десятих вольта може перевищувати напругу живлення.

Шумові властивості вхідних кіл операційного підсилювача.

Визначимо випадкову похибку з урахуванням не ідеальності елементів схеми :

,

де - діюче середньоквадратичне значення шуму, приведене по входу підсилювача;

- це паспортні данні.

.

Розрахуємо випадкову похибку всього каналу, яка має дві складові :

1. Похибка квантування АЦП розподілена за рівномірним законом

де q=1/2^N, N - ми можемо розрахувати з

де D- динамічний діапазон 72 дБ , тобто, q=1/2⁹ з цього ми маємо використовувати 12-ти розрядний АЦП.

2. Похибку теплових шумів будемо враховувати лише для блоку ПУ, так як інші блоки мають невисокі коефіцієнти передачі. В блоці ПУ два ідентичних підсилювача, отже похибка блоку буде дорівнювати геометричній сумі похибок підсилювачів.

,

,

У нашому випадку

Середньоквадратичне значення сумарної випадкової похибки:

Інтерквантільна похибка з вірогідністю P= 0.9 буде

Рис.3 - Показання на виході схеми і моста

Наведемо градуювальну характеристику.



д	0.7	0.6	0.5	0.4	0.3	0.2	0.1	0
Uoutput мВ	5.001	4.43	3.8	3.42	2.7	2.1	1.5	1



Висновок

Реалізовано вимірювальний перетворювач тиск-струм за допомогою напівпровідникового датчику тиску Honeywell 24PCG на основі мікросхеми Burr-Brown у вигляді вимірювального перетворювача XTR 110 в діапазоні вимірювань 0 до 15psi для класу точності 4.5/3.5. Моделювання перетворювача проводимо за допомогою пакету прикладних програм Multisim.

Размещено на Allbest.ru

...