Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Анализ исходных данных и объекта контроля

2. Анализ существующих методов и средств контроля исходного параметра

3. Выбор и обоснование метода измерения и первичного преобразователя

4. Разработка алгоритма функционирования проектируемого устройства контроля

5. Разработка структурной схемы устройства (системы) контроля

6. Расчет первичного преобразователя проектируемого устройства

7. Оценка точностных характеристик. Метрологическое обеспечение создаваемых средств измерения

8. Конструирование отдельных элементов и узлов средств контроля

Заключение

Список использованных источников

Введение

измерение алгоритм преобразователь метрологический

Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин: электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т.д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точности измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины.

Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной.

Применение измерительных преобразований является единственным методом практического построения любых измерительных устройств.

Измерительный преобразователь - это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование. Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект измерения - это, как правило, сложный, многогранный процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на измерительный преобразователь совместно с остальными параметрами.

Целью курсовой работы является привитие навыков самостоятельного применения в исследованиях и расчетах знаний по основам измерительной техники, полученных при изучении теоретического курса.

1. Анализ исходных данных и объекта контроля

В данном варианте необходимо разработать устройство для измерения линейного перемещения со следующими характеристиками: диапазон изменения 0-10мм, погрешность измерения 1 %, объект контроля - холодный прокат, вид представления информации - цифровая.

Условия работы устройства обработки и представления информации: питание осуществляется от сети переменного напряжения-220В10%,f=50Гц 5%.

2. Анализ существующих методов и средств контроля исходного параметра

Под линейной скоростью понимается отношение длины (пройденного пути) s к времени t:

=s / t (2.1)

Пройденной единицей линейной скорости согласно Международной системе единиц (СИ) является метр в секунду (м / с). Применяется также единица км / ч.

Это определение аналогично понятию “частота вращения”, т.е. Количеству оборотов за единицу времени. Поэтому имеется простая возможность измерять линейную скорость путем преобразования линейного движения во вращательное при помощи колеса. Частота вращения этого колеса и измеряемая линейная скорость связаны между собой постоянным, неизменным соотношением. Поэтому можно изменить линейную скорость градуированным в единицах линейной скорости измерителем угловой скорости (частоты вращения).

Большинство используемых в промышленности способов измерения линейной скорости основано на этой предпосылке. Например, наблюдение за скоростью ленточных конвейеров, измерение скорости автомобилей, а также измерение скорости схода нитей в текстильной промышленности.

Существуют различные методы измерения скорости вращения. В машиностроении и во многих областях техники необходимо точно определять частоту вращения, например, для контроля и регулирования работы машин. Неудивительно поэтому, что имеется много разнообразных типов тахометров, тем более, что в основу измерения частоты вращения могут быть положены разные физические явления.

Наиболее простой конструкцией отличаются механические тахометры. Они выпускаются в очень больших количествах в виде неподвижно встроенных в агрегат приборов, используемых для непрерывной индикации усредненного мгновенного значения скорости, или в виде ручных приборов, применяемых иногда для единичных измерений. Характерным для них является то, что показание получается непосредственно у места измерения или на небольшом расстоянии от него. Указатель потребляет энергию от самого объекта измерения. Объект измерения должен быть доступен и должен обеспечивать возможность установки тахометра или подключения его вручную. Механические тахометры могут быть снабжены электрическими или пневматическими преобразователями, позволяющими использовать их для целей управления и контроля.

Значительно удобнее как по возможности использования для измерения различных физических эффектов, так и по возможности дальнейшей обработки измерительных сигналов являются электрические тахометры. Под ними понимаются все тахометры, дающие на выходе электрический сигнал. Сюда относятся, в частности, различные типы тахогенераторов, которые должны быть жестко связаны с объектом измерения и, как и механические тахометры, приводимые во вращение энергией, потребляемой от объекта измерения. Они вырабатывают непрерывный сигнал, пропорциональный частоте вращения объекта измерений, и могут быть также с успехом использованы для определения измерения частоты вращения. Общим для всех электрических тахометров является возможность дистанционной передачи результатов измерений и их контроля и протоколирования совместно с результатами измерения других параметров. Возможно преобразование выходного сигнала в цифровой код, допускающий дальнейшую обработку в вычислительных машинах. В заключение следует также отметить возможность стробоскопического измерения частоты вращения. Хотя стробоскопический эффект используется преимущественно для исследования характера движения вращающихся тел, однако он может быть использован и для измерения частоты вращения. Это мобильный, лишенный обратной реакции на объект способ измерения.

В настоящее время широко применяются бесконтактные электронные тахометры с аналоговой и цифровой индикацией. Съем сигнала осуществляется оптическим методом, для чего на вращающую деталь наносят светлую метку, а также используют различные виды модуляторов.

3. Выбор и обоснование метода измерения и первичного преобразователя

Изучив задание и узнав о различных методах измерения линейной скорости, я пришел к выводу, что наиболее приемлемым для нас способом будет оптический метод. Данный метод заключается в использовании светодиода, приемника излучения, механического модулятора и оптической системы, для направленного пучка излучения. В качестве светодиода, мы возьмем полупроводниковый светодиод инфракрасного излучения АЛ 107 А. В качестве приемника излучения, будет служить фотоприемник ФД 256. Так как мы будем использовать механический модулятор, то целесообразней использовать оптическую схему с четырьмя компонентами.

Выбор данных элементов объясняется простотой функционирования, погрешность диода и фотоприемника входит в допустимые пределы исходных данных, надежность работы в данных условиях приемлема, дешевизна изготовления.

4. Разработка алгоритма функционирования проектируемого устройства контроля

Алгоритм устройства для измерения линейной скорости перемещения представлен на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Алгоритм функционирования устройства

Дадим описание алгоритма функционирования устройства контроля.

Генерирование светового потока происходит от источника света. В данном случае это может быть светодиод, лазер и др.

Моделирование светового потока необходимо для получения импульсных сигналов, а не постоянного изменяющегося сигнала.

Преобразование светового потока в электрический сигнал можно реализовать с помощью фотопреобразователей, например, фотодиод, фототранзистор и др.

Усиление электрического сигнала необходимо, так как сигнал с фотопреобразователя довольно слабый. Поэтому мы усиливаем сигнал, для получения импульса с амплитудой от 2,4 до 5 В, что соответствует цифровой “1”.

Усиленный сигнал не будет иметь четко выраженную прямоугольную форму, поэтому мы будем использовать устройство для формирования прямоугольных импульсов.

Микропроцессор является одним из главных блоков в нашем устройстве. Он реализует подсчет импульсов, преобразование полученного значения в линейную скорость перемещения.

На индикаторах мы видим полученный результат.

5. Разработка структурной схемы устройства (системы) контроля

Структурная схема проектируемого устройства показывает основные функции данного устройства. По ней можно узнать наименования отдельных узлов, их назначение и взаимодействие. Структурная схема устройства показана на рисунке 5.1.



Рисунок 5.1 - Структурная схема проектируемого устройства

ИИ - источник излучения, М - модулятор, ФП - фотоприемник, ПП - первичный преобразователь, Ус - усилитель, ФИ - формирователь прямоугольных импульсов, МП - микропроцессор, УИ - устройство индикации, ИП - источник питания.

Первичный преобразователь.

В нашем случае ПП состоит из: источника излучения, модулятора, и фотоприемника.

Источник излучения АЛ 107 А создает необходимый для работы лучистый поток. В данном случае это инфракрасное излучение с длинной волны равной 940 - 965 нм.

Данный поток будет проходить через оптическую систему с четырьмя компонентами. Оптическая система собирает необходимый для работы прибора лучистый поток, формирует изображение требуемого качества и нужную величину поля зрения. В нашем примере будет использоваться вместе с оптической системой устройство для модуляции потока. Оно используется для импульсного измерения величины потока, достигающего чувствительной поверхности приемника излучения. Данный модулятор представляет из себя непрозрачный диск посаженный на вал, в котором просверлены отверстия.

Объектом измерения является охлажденный прокат (т. е. его линейная скорость перемещения).

Сигнал с помощью приемника будет фиксироваться. Приемник лучистой энергии служит для преобразования электромагнитной энергии оптического диапазона в электрическую энергию. Различают две основные группы приемников лучистой энергии: тепловые и фотоэлектрические. Последние кратко называют фотоприемниками. В тепловых приемниках энергия излучения преобразуется первоначально в тепловую, а затем в электрическую. В фотоприемниках преобразование происходит без промежуточной стадии. Мы будем использовать фотоприемник ФД 256.

Усилитель.

Электрический сигнал с первичного преобразователя поступает на усилитель, который увеличивает мощность полезного сигнала, действующего на его входе, и одновременно выполняет также функции амплитудно-частотного фильтра. Например, если заведомо известно, что полезный электрический сигнал имеет узкий спектр, то рационально сделать усилитель узкополосным, настроенным на среднюю частоту полезного сигнала. Напряжение полезного сигнала будет усиливаться, а составляющие спектра помех, лежащие вне полосы частот усилителя, - подавляться. В нашем случае усилителем может служить операционный усилитель. Сигнал будет усиливаться до уровня, равного логической “1”.

Формирователь прямоугольных импульсов.

Данный блок необходим для получения четкого сигнала прямоугольной формы, который в дальнейшем будет подсчитываться. Как только на формирователь поступает сигнал равный 2,4 - 5 В, формируется импульс. Как только уровень сигнала меньше 2,4 В, сигнал пропадает. Данный формирователь можно реализовать на основе триггера Шмидта.

Микропроцессорная система.

В постоянное запоминающее устройство МПС заносится программа, реализующая следующие действия:

- в течении короткого интервала времени,равным 2 секунды, происходит подсчет импульсов, полученное значение количества импульсов N фиксируется,

- далее при помощи функции преобразования

V=kN,

где k=d / 2N₁ (d =10см - диаметр диска модулятора, N₁ = 200 - количество отверстий в модуляторе).

Полученное значение количества импульсов преобразовывается в линейную скорость перемещения.

- значение скорости поступает на индикацию.

Микропроцессор должен содержать 4 десятичных счетчика. Это следует из следующего выражения для максимальной скорости перемещения

N= 2VN₁ / d =1273

Первый будет подсчитывать единицы, второй - десятки, третий - сотни, четвертый тысячи.

Данный цикл повторяется через некоторый промежуток времени.

Устройство индикации.

Можно использовать семисегментные индикаторы. Вывод информации будет осуществляться четырьмя индикаторами. 1 будет показывать - целые, 2 - десятые, 3 - сотые, 4 тысячные.

6. Расчет первичного преобразователя проектируемого устройства

В расчет первичного преобразователя входит: расчет оптический системы, энергетический расчет.

Расчет оптической системы.

В нашем случае используется оптическая схема с четырьмя компонентами, так как такая схема может быть использована в приборах, имеющих оптический модулятор (рисунок 6.1).



Рисунок 6.1 - Оптическая схема с четырьмя компонентами

Расчет такой оптической схемы довольно прост, так как все элементы схемы находятся в фокальных плоскостях оптических компонентов. Зная геометрические размеры источника излучения D_ИС, диафрагмы (отверстий модулятора) D_д и размеры светочувствительной поверхности фотоприемника D_фп из формулы подобия рассчитываются фокусные расстояния линз

(6.1)

Размер d выбирается конструктивно исходя из условий закрепления линз.

D_ИС=2 мм, D_ФП=2,5 мм, D_Д=2,5 мм, d=5 мм. Диаметр линз 15 мм, толщина 2 мм.

Из этих данных получим:

f₁=20 мм, f₂=20*2,5/2=25 мм, f₃=20 мм, f₄=20*2,5/2,5=20 мм.

Общая длина оптической системы будет равна

l_ОБЩ=f₁+f₂+f₃+f₄+2d=20+25+20+20+10=95 мм (6.2)

Энергетический расчет.

Цель энергетического расчета: определение величины потока достигающего фотопреобразователя, исходя из мощности источника излучения, потерь в оптической системе и влияния функции преобразования.

В общем случае величина потока достигшего светочувствительной поверхности фотоприемника определяется следующим соотношением

Ф_ФП=Ф_И12345, (6.3)

где Ф_И =6 мВт- поток, излучаемый светодиодом (справочная величина),

₁ - коэффициент полезного действия, определяется диаграммой направленности и пространственным согласованием источника излучения,

₂ - коэффициент, связанный с потерями из-за несогласования спектральных характеристик источника излучения и приемника излучения,

₃ - потери на оптических элементах, появляющихся в связи с Френелевскими потерями, ₃=0,95 на каждый переход из одной оптической среды в другую,

₄ - потери в среде, где распространяется излучение, в воздухе ₄ = 1,

₅ - потери, связанные с использованием светочувствительной поверхности фотопреобразователя.

Источником излучения является, светодиод инфракрасного излучения АЛ 107 А. ₁ - коэффициент использования потока излучения по диаграмме направленности, определяется геометрическим способом (рисунок 6.2).

Так как апертура оптической системы равна 26,56^о, получаем что ₁ =0,93.

₂ - коэффициент, связанный с потерями из-за несогласования спектральных характеристик источника излучения и приемника излучения, т. е. светодиода АЛ 107 А и фотодиода ФД 256. Для определения ₂ воспользуемся методом геометрического интегрирования (рисунок 6.3).

Рисунок 6.2 - Диаграмма направленности источника излучения

Рисунок 6.3 - Спектральные характеристики АЛ 107 А и ФД 256

В результате получили ₂=0,075.

Так как ₃=0,95 на каждый переход из одной оптической среды в другую, получим суммарный коэффициент ₃=0,95⁸=0,66.

₄ - потери в среде, где распространяется излучение. Так как излучение распространяется в воздухе, то общий коэффициент потерь будет равен ₄=1.

В нашем случае

₅=r_ИЗ / r_ПР=2/2,5=0,8, (6.4)

где r_ИЗ - радиус светоизлучающей части диода, r_ПР - радиус чувствительной части фотоприемника.

Теперь найдем величину светового потока достигшего светочувствительной поверхности фотоприемника

Ф_ФП=Ф_И12345=6*0,93*0,075*0,66*1*0,8=0,2 мВт.

Ток фотоприемника находится исходя из найденного значения Ф_ФП и чувствительности выбранного фотопреобразователя

I=Ф_ФП S_ФП, (6.4)

где S_ФП = r²=12,56 мм² (r - радиус части фотодиода, принимающей свет).

I=0,2*12,56=2,512 мA.

Далее производится расчет согласующего усилителя (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 - Схема входного усилителя с диодом

U_ВЫХ=I_ФП*R_O.C. (6.5)

Выберем сопротивление R_O.C.=1900 Ом. В результате получим значение выходного напряжения U_ВЫХ=4,8 В.

7. Оценка точностных характеристик. Метрологическое обеспечение создаваемых средств измерения

Технические характеристики средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений называются метрологическими характеристиками. От неточности характеристик при изготовлении средств измерения их стабильности в процессе эксплуатации приборов зависит точность результатов измерения.

Из условий поставленной задачи следует, что относительная погрешность разрабатываемого устройства равна = 1 %. Найдем абсолютную погрешность

(7.1)

Найдем абсолютную погрешность для наименьшего значения измеряемой величины x_Д=0,1 м/ c

(м / c).

Рассчитаем количество отверстий в модуляторе, соответствующее заданной точности. Функция преобразования имеет следующий вид

, (7.2)

где - измеряемая величина, линейная скорость перемещения,

d - диаметр ролика,

N - количество импульсов подсчитанное счетчиком за 2 секунды,

N₁ - количество отверстий модулятора.

Примем диаметр катка 10 см. N₁=200 соответствует заданной погрешности измерения.

Найдем погрешность изготовления ролика, так как от этого будет зависеть абсолютная погрешность устройства. Абсолютная погрешность ролика найдется из следующей системы уравнений

(7.3)

Подставив в эту систему значения d=0,1м, N₁=200, =0,550 м/c, ₁=0,551. В результате получим, что при изменения скорости на 0,001 м/c величина диаметра будет равна d₁=0,1003 м. Значит погрешность равна 0,3 мм.

Радиус ролика необходимо делать с точностью 0,1 мм.

Также необходимо разработать поверку средства измерения. Поверка -- это совокупность операций выполняемых органами метрологической службы по определению пригодности средств измерений к применению, клеймению или выдача документов о поверке - подтверждающих, что средство измерения удовлетворяет указанным требованиям.

Поверку можно производить двумя методами:

1 путем сопоставления показаний поверяемого прибора с показаниями образцового средства измерения,

2 путем сравнения показаний поверяемого прибора с мерой данной величины.

Выберем первый метод поверки. Сигнал от источника измеряемой величины подают на поверяемый и образцовый приборы и сравнивают показания поверяемого x_П и образцового x_O приборов. Погрешность (абсолютная) поверяемого прибора будет равна = x_П - x_O.

Независимо от выбранного метода поверки соотношение пределов допускаемой абсолютной погрешности образцового и поверяемого средств измерений, должно быть не более 1:3 при поверке приборов классов точности 0,05 - 0,5 и не более 1:4 при поверке приборов с классом точности 1 - 5.

В качестве образцового средства измерения может использоваться как аналоговый, так и цифровой прибор. Класс точности аналогового средства измерения при выборе в качестве образцового должен удовлетворять следующему неравенству

7.4)

где К_О и К_П - соответственно классы точности образцового и поверяемого приборов,

- требуемое соотношение,

x_NО и x_NП - соответственно нормирующее значение поверяемого и образцового приборов. /4/

В качестве образцового прибора выберем прибор датской фирмы DISA, коммерческий образец ЛДИС МАРК - 1. Оптическая схема комбинированная, с призменным расщепителем. Она может работать в режиме с опорным пучком в дифференциальном режиме на прямой и обратном рассеиваниях. Диапазон измеряемой скорости от 10^-4 - 50 м/c с точностью 0,1 % и пульсации скорости в полосе частот 1 кГц с точностью 3 %.

При проведении поверки должны соблюдаться следующие нормальные условия:

1) температура окружающего воздуха 202С

2) относительная влажность воздуха от 30 до 80%

3) напряжение питания 2204,4 В

4) частота тока питания 500,5Гц

5) внешние магнитные поля, кроме поля Земли, практически должны отсутствовать

6) механические колебания и удары должны отсутствовать

Перед поверкой прибор должен быть выдержан в помещении в нормальных условиях не менее 6 часов. При проведении внешнего осмотра проверяется отсутствие грубых механических повреждений, затрудняющих эксплуатацию прибора. Проводится сравнения измерения поверяемого и образцового прибора и определяются метрологические характеристики.

8. Конструирование отдельных элементов и узлов средств контроля

Возможность измерения указанной величины связано с разработкой соответствующей измерительной аппаратуры, которая помимо оптико-электронного преобразователя (ОЭП - источник излучения, фотоприемник и оптическая система линз) включает в себя ряд дополнительных электронных блоков и механических узлов, позволяющих получить требуемые метрологические и эксплутационные характеристики. К электронным блока обеспечивающим работу ОЭП относятся первичное согласующее устройство, источники питания, и устройства обработки измерительной информации.

Источники питания позволяют получить требуемую мощность, обеспечиваю стабильность тока источника излучения в процессе измерений и при необходимости должны давать возможность управлять потоком излучения.

Конструкция первичного преобразователя довольно проста. Оптическая система крепится в корпусе. При помощи втулок и упорных гаек определенных размеров мы задаем фокусные расстояние рассчитанные ранее. В этот же корпус вкручиваются элементы с источником и приемником излучения.

Корпус ОЭП защищен от внешних воздействий корпусом состоящим из крышки и стоек. При помощи креплений корпус соединен с основанием преобразователя.

Передача информации от первичного преобразователя к измерительному прибору осуществляется соединительным кабелем через розетку.

Заключение

В процессе проделанной курсовой работы мы получили навыки самостоятельного применения в исследованиях и расчетах знаний по основам контрольно-измерительной техники, полученных при изучении курса и при прохождении производственной практики.

Мы расширили и закрепили теоретические и практические знания, необходимые инженеру при разработке средств контроля и измерения. Выработали умение и навыки по комплексному решению технических данных при разработке новых устройств и систем. Развили навыки самостоятельной работы с научно - технической литературой.

Мною был разработан первичный преобразователь для измерения линейной скорости перемещения объекта контроля. А также измерительный прибор, позволяющий обрабатывать информацию, полученную с первичного преобразователя. Прибор был разработан с требованиями метрологических и эксплутационных характеристик.

Список использованных источников

1. Конюхов Н. Е. Измерительные преобразователи. Курс лекций. - Куйбышев, 1972. - 260с.

2. Измерение в промышленности. Справочник. Под ред. Профоса П. - М.: Металлургия, 1990 г., - 380с.

3. Иванов В. И. и др. Полупроводниковые и электронные приборы: Справочник - 2 - е изд., перераб. И доп. - М.: Энергоатомиздат. 1988. - 448c.

4. Коротков В. П., Гайц Б. А. Основы метрологии и теории точности измерительных устройств. - М.: Изд-во стандартов, 1980. - 280с.

Размещено на Allbest.ru

...