Ультразвуковой измеритель уровня жидкости

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Ультразвуковой измеритель уровня жидкости, измерение уровня жидкости, ультразвуковые датчики.

В дипломном проекте представлена разработка ультразвукового измерителя для измерения уровня жидкости в резервуарах высотой до 5 метров с точностью до 0,5%.

Объект исследования - электронные методы измерения уровня жидкости.

Предметом исследования является сравнение различных датчиков измерения уровня и схем их включения для заданного диапазона измерения.

Цель работы - разработка электрической принципиальной схемы и технико-экономическое обоснование проекта.

В процессе разработки был проведен сравнительный анализ различных датчиков и схем их включения. Разработаны структурная и принципиальная электрические схемы. Выбрана современная элементная база, использованы ультразвуковые датики.

Метод исследования. В процессе разработки ультразвукового измерителя проводилась сравнительная оценка различных способов измерения уровня, в том числе при помощи ультразвуковых датчиков с точек зрения, высказанных в технической и справочной литературе.

Полученные результаты. В результате сравнительного анализа выбрана схема с ультразвуковым датчиком с одной головкой, на основании которой была разработана электрическая принципиальная схема ультразвукового измерителя для измерения уровня жидкости в резервуарах высотой до 5 метров.

Содержание

Введение

1. Обзор литературных источников по теме дипломного проекта

1.1 Обзор бесконтактных датчиков расстояния

1.2 Обзор ультразвуковых датчиков расстояния

2. Разработка структурной схемы

3. Разработка электрической принципиальной схемы устройства

3.1 Подбор ультразвукового датчика

3.2 Подбор микроконтроллера

3.3 Расчет входного преобразователя

3.4 Расчет блока индикации

3.5 Расчет блока клавиатуры. Схема подключения МК

3.6 Расчет блока связи с ПК

3.5 Расчет блока питания

3.6 Разработка программного обеспечения

3.6 Разработка программного обеспечения

4. Экономическое обоснование дипломного проекта

4.1 Расчет затрат на производство устройства

4.1.1 Определение этапов выполнения научно-исследовательской работы и их трудоемкости

4.2 Расчёт затрат при проектировании и изготовлении измерителя уровня

4.2.1 Определение расходов на оплату труда

4.2.2 Расчёт затрат на основные и вспомогательные материалы по НИР

4.2.3. Расчёт затрат на основные и вспомогательные материалы, необходимые для изготовления устройства

4.2.4 Расчёт затрат на комплектующие изделия и п/ф, необходимые для изготовления устройства

4.2.5 Расчёт затрат на электроэнергию, необходимую для изготовления устройства

4.2.6 Планирование затрат на транспортно-заготовительные расходы

4.2.7 Определение общепроизводственных расходов

4.2.8 Определение общехозяйственных расходов

4.2.9 Расчет производственной себестоимости опытного образца

4.2.10 Планирование коммерческих расходов

4.2.11 Плановая калькуляция себестоимости и отпускной цены единицы продукции

4.3 Расчет затрат на стадии эксплуатации

4.3.1 Затраты на электроэнергию

4.3.2 Зарплата обслуживающего персонала

4.3.3 Амортизационные отчисления

4.3.4 Расходы на материалы, связанные с эксплуатацией

4.3.5 Затраты на текущий ремонт и техобслуживание

4.3.6 Эксплуатационные расходы

4.3.7 Сравнительный анализ технико-экономических показателей проектируемого устройства и аналога

4.3.8 Определение экономически эффективного варианта проектируемого устройства

5. Охрана труда

5.1 Границы слухового восприятия шумов органами слуха человека

5.2 Действие шума на организм человека

5.3 Классификация методов защиты от шума

5.3 Классификация вибраций, воздействующих на человека

5.4 Воздействие вибрации на организм человека

5.5 Защита от вибрации

Заключение

Введение

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков.

Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.

Измерение уровня жидкости в различного рода резервуарах также возможно осуществлять с использованием средств промышленной электроники и автоматики.

Принцип действия подобного рода измерительных систем, в общем одинаков - информация с измерительного преобразователя (датчика) поступает в устройство обработки данных на основе ОЭВМ. Коренное отличие заключается в выборе типа датчика.

Для измерения уровня жидкостей и сыпучих веществ широкое применение получили емкостные, оптические, ультразвуковые датчики. Наибольший интерес представляют последние, так как имеют более широкий спектр применения в данной области.

Управление технологическими процессами во многих отраслях промышленности связано с измерением уровня.

Современные системы автоматизации производства требуют статистических и информационных данных, позволяющих оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность использования сырья.

Этот постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в си схемах контроля не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное измерение.

1. Обзор литературных источников по теме дипломного проекта

1.1 Обзор бесконтактных датчиков расстояния

Самые первые бесконтактные датчики расстояния выдавали информацию только лишь о наличии или отсутствии предмета перед датчиком в виде дискретного сигнала ON/OFF. Эти простейшие датчики до сих пор находят огромное применение в различных областях промышленности. В то же время для решения более сложных задач автоматизации технологических процессов инженерам нужна дополнительная информация о положении объектов измерения. Для этих целей были разработаны датчики, позволяющие определять расстояние до объекта и его положение с помощью аналогового выхода, сигнал на котором пропорционален расстоянию до измеряемого объекта. Такие датчики могут быть использованы во множестве применений, таких как определение расстояния до объекта, измерение толщины, измерение наклона и деформации, измерение профиля изделия, центровка и измерение диаметра.

Датчики для измерения расстояния могут использовать различные принципы измерений: индуктивный, ультразвуковой или оптический, однако все они имеют электрический выходной сигнал, величина которого пропорциональна расстоянию до измеряемого объекта.

Индуктивные датчики. Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.

Вместе с тем, несмотря на прекрасную точность, разрешение и время отклика, существенная нелинейность, составляющая 3% - 5%, представляет определенную проблему. Что бы преодолеть это некоторые производители определяют выходной сигнал датчика как полиномную функцию, математически описывающую сигнал, и тем самым дают возможность запрограммировать с помощью такой функции большинство современных контроллеров для более точного алгоритма измерения.

Тем самым, например, на расстоянии 0,4638 мм выходной сигнал будет 5 мА. Проблемы с линейностью могут быть так же решены с использованием интегрированного в датчик микропроцессора. Такой метод позволяет произвести линеаризацию выходной характеристики датчика и существенно снизить нелинейность. Например, индуктивный датчик диаметром 12 мм и расстоянием измерения 0 - 4 мм., со встроенным микропроцессором имеет линейность лучше, чем 0,4%.

Ультразвуковые датчики. Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.

Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного меньших объектов, например таких, как бутылки или ампулы.

Оптические датчики. Существует множество различных способов измерить расстояние до предмета с помощью оптики: например лазерные интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и аналоговым выходом могут измерять расстояния в широких пределах, однако поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов. Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно, позволяет измерять с ограниченным разрешением в 2 - 3 мм.

Подавляющее большинство задач по измерению в промышленности приходится на диапазоны от долей микрон до нескольких десятков метров. При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных: малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее подходят лазерные датчики расстояния, работающие по принципу оптической триангуляции.

Принцип работы оптического датчика расстояния следующий: лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая прообразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.

Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях. Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях. Так что, например, точность в 1 мкм на расстояниях в 1 метр получить вряд ли удастся.

Для снижения влияния шумов все лазерные датчики расстояний позволяют проводить интегральные или усредненные измерения. При этом производится множество измерений расстояния до объекта и результат потом усредняется, тем самым повышается точность измерений. Однако большая точность требует большого количества измерений, увеличивая при этом общее время измерения. Так, например, что бы обеспечить точность в 1 мкм типичное время измерения составляет порядка 0,1 сек.

Правильный выбор датчика. Для того, что бы правильно выбрать подходящий датчик расстояния, необходимо ответить на 7 вопросов:

Из чего состоит объект измерения?

Какое расстояние до объекта?

Какая требуется точность?

Насколько быстро движется объект?

1.2 Обзор ультразвуковых датчиков расстояния

В данном разделе описаны методы измерения расстояния посредством ультразвуковых датчиков, основанные на принципе измерения времени прохождения сигнала.

При этом обработка отражённого от объекта сигнала производится в той же точке, что и излучение, такой метод относится к методам непосредственного обнаружения.

В момент времени T0 (рисунок 1.1) ультразвуковой передатчик излучает сигнал -- пачку импульсов продолжительностью Дt, которая распространяется в окружающей среде со скоростью звука C. Когда сигнал достигает объекта, часть сигнала отражается и приходит в приёмник в момент времени T 1. Электронная схема устройства обработки сигнала определяет расстояние до объекта, измеряя время T 1 - T0.

Для измерений расстояния может применяться как схема, использующая одну и ту же головку датчика для излучения и приёма, так и схема, в которой излучение и приём производят две разные головки.

Рисунок 1.1 Сигнал на чувствительном элементе УЗ-датчика измерительной схемы с одной головкой

Измерительная схема с одной головкой

Схема с одной головкой имеет существенный недостаток, который состоит в том, что после излучения пачки импульсов должно пройти некоторое время, прежде чем мембрана излучателя успокоится и сможет работать на приём. Этот интервал называется «мёртвым» временем датчика.

Наличие «мёртвого» времени приводит к тому, что ультразвуковые измерители расстояния с одной головкой имеют так называемую «слепую» зону, то есть, когда объект находится слишком близко, отражённая пачка приходит в измеритель так скоро, что он не успевает перестроиться с передачи на приём и объект не может быть обнаружен

Длительность переходных процессов излучателя-приёмника зависит от многих факторов, таких как суммарная колеблющаяся масса, внутреннее затухание сигнала, развязывающий материал и особенности механической конструкции датчика. Так, например, граница «слепой» зоны для ультразвуковых датчиков фирмы Pepperl+ Fuchs традиционных конструкций с зонами реагирования 1 м и 6 м равняется 0,2 м и 0,8 м. Это соответствует «мёртвому» времени 1 мс и 5 мс.

Функциональная схема датчика непосредственного обнаружения приведена на рисунке 2.

Рисунок 1.2 Блок-схема ультразвукового датчика с совмещёнными излучателем и приёмником

Пусковым импульсом активизируется схема возбуждения излучателя, которая вырабатывает серию импульсов с амплитудой 250 В. Тем же пусковым импульсом блокируется вход усилителя приёмника. После выключения излучателя приёмник разблокируется. Восстановление приёмника занимает 300 мкс, то есть намного меньше, чем успокоение излучателя, поэтому параметры приёмника никак не влияют на величину «слепой» зоны. Когда объект с достаточной отражательной способностью находится в зоне контроля, отраженный акустический сигнал возбуждает на мембране высокочастотное переменное напряжение. Это напряжение обрабатывается методами обнаружения аналоговых сигналов -- ограничивается, усиливается, детектируется и поступает на компаратор. Превышение этим напряжением заданного значения порога обнаружения служит сигналом о наличии объекта в зоне контроля. Электронная схема фиксирует временной интервал, прошедший с момента активизации излучателя и формирует выходной электрический сигнал, пропорциональный этому временному интервалу. Она же поддерживает цифровой интерфейс с внешним миром.

Зарегистрировав поступление первого отражённого сигнала, схема управления задерживает формирование очередного пускового импульса, ожидая возможного прихода отражённых сигналов от более удалённых объектов в зоне контроля.

Рисунок 1.3 Уменьшение «мёртвого» времени датчика. Метод отслеживания порога

Измерительная схема с двумя головками

«Слепая» зона может быть существенно сокращена путём применения схемы, в которой в качестве излучателя и приёмника используются две отдельные головки датчика. При этом следует обеспечить максимальную чувствительность схемы за счёт правильного выбора одной и той же резонансной частоты для излучателя и приёмника.

Рисунок 1.4 Эффект многократных отражений при большом расстоянии до объекта

Рисунок 1.5 Эффект многократных отражений при нахождении объекта в «слепой» зоне

Отслеживание порога

Так как величина «слепой» зоны -- важнейший параметр ультразвукового датчика, во многом определяющий его успех на рынке, особое внимание уделяется уменьшению данного параметра. Для этого используется способ отслеживания значения порога обнаружения. На очень близких расстояниях за время переходного процесса сигнал успевает многократно пройти путь между сенсором и объектом. Точность обнаружения существенно снижается из-за искажений, вносимых этим многократно отражённым сигналом. При этом ошибка метода растет очень быстро с уменьшением расстояния до объекта. Это приводит к необходимости компромисса между чувствительностью обнаружения, вероятностью «ложной тревоги» и точностью измерения расстояния.

Рисунок 1.3 иллюстрирует метод отслеживания порога обнаружения (для не очень близких расстояний). Он состоит в том, что пороговое напряжение детектора, подаваемое на компаратор, формируется напряжением, переменным во времени и повторяющим форму огибающей «хвоста» пачки импульсов, получаемого при затухании колебаний мембраны.

На рисунке 1.4 приведены осциллограммы, иллюстрирующие явление многократного отражения сигнала от объекта в паузе между пачками зондирующих импульсов излучателя. Расстояние до объекта здесь превышает границу «слепой» зоны.

На рисунке 1.5 изображена ситуация, возникающая при нахождении объекта в «слепой» зоне при использовании отслеживания порога обнаружения. Проблема состоит в том, что детектор «не знает», который по счету из многократно отражённых сигналов превысил значение порога обнаружения. На рисунке зарегистрированным оказался второй из отражённых сигналов, что привело к удвоению фактического расстояния до объекта. Но эта ситуация является недопустимой: датчик устанавливается и настраивается таким образом, чтобы объекты не попадали в «слепую» зону.

Рисунок 1.6 Потеря точности измерения при дальнейшем приближении объекта

Таблица 1.1 Характеристики датчиков с сокращённой «слепой» зоной и функцией настройки диапазона регулирования

Дальность, мм (частота)	«Слепая» зона, мм	Диапазон зондирования, мм	Диапазон настройки, мм
500 (390 кГц)	0...30	30...350	50...500
2000 (175 кГц)	0...80	80...2000	120...2000
4000 (85 кГц)	0...200	200...4000	240...4000
6000 (65 кГц)	0...350	350...6000	400...6000

Рисунок 6 иллюстрирует дальнейшее ухудшение точности с приближением объекта. Напряжение на сенсоре принимает форму гребёнки со всё более мелкими зубчиками, и ошибка измерения расстояния продолжает расти.

Приблизительные характеристики ультразвуковых датчиков по дальности приведены в таблице 1.1. Применение метода отслеживания порога чувствительности позволило уменьшить «слепую» зону в 2-2,5 раза. Однако использование датчиков вблизи границы «слепой» зоны требует тщательной проработки. Поэтому в характеристиках датчика по дальности в табл. 1 приводится как диапазон зондирования, так и диапазон настройки. Под диапазоном зондирования здесь понимается диапазон дальностей обнаружения, определяемый только физическими возможностями датчика (мощность излучаемого луча и его направленность) и параметрами образцового объекта. Диапазон настройки -- это диапазон дальностей, в котором обеспечивается возможность регулировки датчика «по месту» с целью его оптимального использования в конкретном применении (с учётом характеристик объекта и его ориентации относительно чувствительного элемента датчика).

Ультразвуковые датчики непосредственного обнаружения обеспечиваются набором средств, дающих возможность гибкой установки ближней и дальней границы измерительного окна.

Борьба с помехами.

Регулируемый порог переключения

После обнаружения объекта в окне наблюдения последующие отражённые сигналы могут привести к ложным срабатываниям. Для устранения этого усилитель приёмного устройства, имеющий возможность регулировки усиления, запирается после обнаружения объекта. (При зондировании окна наблюдения на предельных дальностях усиление, наоборот, максимально.)

Наличие в датчиках многих компаний -- регулируемого порога переключения - позволяет заодно, и организовать отстройку от помех -- эхо-сигналов, поступающих от паразитных объектов окружающей среды. Эффект подавления эхо-сигналов показан на рисунке 1.7.



Рисунок 1.7 Подавление отражённых сигналов от возмущающих объектов с помощью регулируемого порога переключения

Функция подавления эхо-сигналов от возмущающих объектов является одним из достоинств современных ультразвуковых датчиков.

Используя эти возможности, следует учитывать возможные побочные эффекты регулируемого порога переключения, в частности, снижение чувствительности, вызванное уменьшением звукового конуса (луча), и сокращение зоны реагирования.

Регулируемое время цикла

Дополнительной мерой подавления многочисленных отражённых и фоновых сигналов является увеличение длительности пускового импульса и, следовательно, излучаемой пачки импульсов. Это приводит к тому, что амплитуда колебаний излучателя увеличивается не мгновенно, а в течение некоторого времени. Соотношение между длительностью излучаемого импульса и максимальным давлением упругой среды распространения используется для согласования энергии излучателя с расстоянием до объекта.

Для небольших расстояний до объекта длительность пускового импульса уменьшается. Тем самым уменьшается влияние отражённых сигналов от посторонних объектов, расположенных в зоне срабатывания на больших расстояниях от чувствительной поверхности (торца датчика).

Коррекция результатов измерений

Результаты определения времени прохождения сигнала от объекта могут иметь некоторый разброс, обусловленный изменением состояния среды распространения. Влияние помех может быть ослаблено путём статистической обработки результатов измерений -- вычисления средней величины и дисперсии и отбрасывания результатов со слишком большим отклонением от среднего.

В тех применениях, где требуется высокая скорость измерений, может использоваться упрощённый алгоритм отстройки от помех. Например, вычисляется и запоминается разность значений двух последних измерений. Измеренное расстояние считается истинным, когда две последние измеренные разности отличаются незначительно. Таким способом могут быть достоверно обнаружены ускоряющиеся объекты. Если разность измерений равна нулю, это говорит о том, что объект неподвижен; постоянная разность указывает на движение с постоянной скоростью; изменяющаяся разность указывает на то, что объект двигается с ускорением.

Синхронизация

Для дополнительного подавления помех при известном расстоянии до обнаруживаемого объекта производится согласование по времени фаз передачи и приёма. Такая же синхронизация используется при ретрореф-лективном способе обнаружения, когда известно расстояние от источника до рефлектора. Сигналы синхронизации управляют усилителем приёмного тракта датчика, который имеет переменный коэффициент усиления.

Источники ошибок в измерении

Влияние окружающей среды

Общей проблемой измерений дальности, базирующихся на оценке времени прохождения сигнала, является зависимость измеренного времени от скорости распространения звука. На скорость звука в воздухе влияет ряд факторов, таких как температура, атмосферное давление, влажность и состав воздушной среды. Для полного учёта всех этих факторов можно было бы использовать набор датчиков состояния воздуха и на основании полученных данных вычислять скорость распространения сигнала в воздухе. Однако это сложно и дорого. На практике достаточно компенсировать влияние температуры, так как именно температура имеет наибольшее влияние на скорость распространения звука. Но таким способом нельзя учесть перепады температуры в пределах измерительного окна.

Лучшие результаты даёт применение эталонного датчика, который определяет реальную скорость звука, исходя из времени распространения отраженного сигнала в пределах эталонного диапазона. Определённая таким способом скорость распространения звука может быть передана через средства сопряжения рабочим датчикам или внешнему (главному) устройству обработки информации.

Перекрёстные помехи.

В тех случаях, когда ультразвуковые датчики с близкой рабочей частотой расположены друг напротив друга, устройство обработки не может различить, является ли принятый сигнал его эхо-сигналом или сигналом другого излучателя. Отсюда следует, что датчики, смонтированные в пределах зоны реагирования друг друга, могут друг другу мешать. Существуют разнообразные методы уменьшения этого вида взаимных влияний.

Одним из таких методов является применение узкополосных датчиков, работающих на разных частотах передачи. Однако этот способ невыгоден тем, что требует проектирования узкополосного преобразователя для каждой из набора рабочих частот.

Лучшим способом избежать взаимного влияния является метод кодирования импульса. Он состоит в том, что разные ультразвуковые датчики излучают зондирующие пачки импульсов не равномерно во времени, а в определённой временной последовательности, причём каждый ультразвуковой датчик имеет свою собственную временную последовательность. Эти последовательности формируются в соответствии со строго определенными кодами. Каждый приёмник выбирает код «своего» передатчика.

Этот способ хорош тем, что несколько рядом расположенных датчиков с одной рабочей частотой могут работать без взаимного влияния. Недостатком способа является то, что передача кодов требует больше времени по сравнению с передачами обычных пачек импульсов и максимальная частота зондирования зоны контроля уменьшается.

Ещё одной возможностью избежать взаимного влияния датчиков является применение постоянных, но различных тактовых частот (частот следования пачек импульсов).

Правила эксплуатации. Существуют правила определения безопасных эксплуатационных расстояний, из которых следует придерживаться для того, чтобы избежать взаимных влияний датчиков. Реально необходимое расстояние X, на которое нужно разносить датчики, может зависеть от ориентировки и положения объекта, который находится в звуковом конусе. Если ориентировка объекта неблагоприятная (скажем, отражённый луч «засвечивает» соседний датчик), расстояние X следует увеличить (рисунок 1.8). В случае когда датчики расположены друг напротив друга, рекомендуется интервал XX в соответствии с рисунок 9.



Рисунок 1.8 Взаимное влияние датчиков, расположенных рядом

Синхронизация датчиков

Синхронизация фаз приёма и передачи датчика при известном расстоянии до объекта, уже рассмотренная в соответствующем разделе, помогает отстроиться также и от перекрёстных помех.

Рабочие характеристики

Дополнительным средством борьбы с перекрёстными помехами от множества датчиков является синхронизация работы самих датчиков в параллельном или мультиплексном режиме. В параллельном режиме входы синхронизации всех датчиков соединяются и управляются одновременно. В мультиплексном режиме датчики активизируются по очереди, по циклическому закону. В этом режиме время цикла зондирования равно сумме времен циклов отдельных датчиков (если датчики однотипные, время цикла просто возрастает во столько раз, сколько датчиков работают в мультиплексном режиме).

Условия работы и свойства объекта.

Свойства объекта

Объекты, обнаруживаемые ультразвуковыми датчиками, могут быть твёрдыми, жидкими или порошковыми. Характеристики поверхности объекта влияют на его отражающую способность и являются важными для обработки датчиком отражённого сигнала. Идеальное отражение обеспечивают все гладкие поверхности, расположенные под прямым углом к ультразвуковому конусу и имеющие площадь, превосходящую некоторый минимум, указанный в справочных данных. Надёжное обнаружение возможно при разбросе углов отражения в пределах ±3°. Форма объекта не имеет значения. Важно только, чтобы площадь поперечного сечения объекта, попадающего в зону реагирования звукового конуса, была не меньше указанной в технических параметрах датчика.

Такие свойства материала, как прозрачность, цвет или внешнее покрытие поверхности (полированная или матовая), не влияют на надёжность и достоверность обнаружения.

Шероховатость поверхности, в зависимости от рабочей частоты конкретного датчика, может приводить к рассеянию отражённого сигнала. Практически применимо следующее правило: если максимальная высота шероховатостей поверхности меньше длины волны звука, отражение будет преимущественно направленным. Если высота шероховатостей больше длины волны звука, отражение будет преимущественно диффузным (рассеянным).

Следует учесть, что переход от направленного к диффузному отражению является плавным. Значения шероховатости между указанными в таблице значениями дают в результате отражения, содержащие и диффузное, и направленное отражение. Доля диффузного отражения растёт по мере роста шероховатостей. Наличие у объекта грубых шероховатых поверхностей приводит к сокращению зоны реагирования ультразвукового датчика.

Значительные степени шероховатости допускают большие отклонения угла наклона поверхности от идеального положения, если дальность объекта такова, что датчик реагирует на диффузную составляющую отражённого сигнала. В результате, например, уровень заполнения ёмкости крупнозернистыми материалами можно контролировать при отклонении поверхности до 45° от идеального положения. Конечно, датчик при этом должен быть расположен существенно ближе к объекту

На практике ультразвуковыми датчиками хорошо обнаруживаются следующие объекты:

гладкие и твердые предметы, установленные под прямым углом к звуковому конусу;

твёрдые шероховатые объекты, вызывающие диффузное отражение, независимо от ориентации их поверхности;

поверхности жидких материалов, если они отклоняются не более чем на 3° от перпендикуляра к оси звукового конуса.

Плохо обнаруживаются:

материалы, поглощающие ультразвуковые волны -- войлок, вата, шерсть, грубые текстильные изделия, пенопласт;

материалы с температурой выше 100°С.

Для обнаружения таких материалов необходимо применять барьерные датчики (метод поглощения ультразвукового луча).

Рисунок 1.9 Безопасное расстояние между датчиками, расположенными друг напротив друга

Таблица 1.2 Отражающие свойства шероховатых поверхностей

Частота приемопередатчика, кГц	Степень шероховатости поверхности объекта, дающая «полностью направленное» отражение	Степень шероховатости поверхности объекта, дающая «полностью диффузное» отражение
65	< 1	> 25
85 (90)	< 0,8	> 20
120 (130)	< 0,5	> 13
175	< 0,4	> 10
375	< 0,2	> 5

Детекторные характеристики

Основной причиной помех при применении ультразвуковых датчиков являются мешающие воздействия эхо-сигналов от объектов вблизи датчика или неблагоприятные параметры объекта. В связи с этим производители приводят в каталоге детекторные характеристики для наиболее ответственных датчиков. С помощью детекторных характеристик возможно оценить, какие объекты и в каких зонах могут инициировать сигнал обнаружения.

Для измерения детекторных характеристик используется набор эталонных объектов, помещаемых в звуковой конус под прямым углом к лучу. В набор входят следующие объекты:

а) плоская пластина размером 700x700 мм (обычно этот контур перекрывает всю зону обнаружения); б)плоская пластина 100x100 мм (эталон для измерения паспортных технических параметров);

в) пластиковая трубка диаметром 160 м, плакированная войлоком(стандартная «штанина»);

г) деревянная деталь диаметром 25 мм(тестовый объект для определения дифференциала хода, под которым понимается расстояние между точками срабатывания и отпускания датчика при возвратно-поступательном перемещении детали).

Для обеспечения надлежащего функционирования датчика нужно, чтобы в пределах зоны обнаружения не было посторонних предметов. Объект, который необходимо обнаружить, должен находиться в пределах гарантированной зоны обнаружения, при этом учитываются его форма, размеры и свойства поверхности.

Улучшение условий зондирования

Для уверенного обнаружения объекта должен быть обеспечен качественный отражённый сигнал на приёмной мембране датчика, поэтому создание хороших условий отражения от объекта существенно улучшает надёжность функционирования всей системы обнаружения.

Идеальная поверхность объекта должна быть достаточно большой и плоской. На условия отражения, как уже говорилось, влияет наклон отражающей поверхности к оси звукового конуса Допустимым считается наклон не более чем на 3° к оси звукового конуса. Могут возникать проблемы при работе с круглыми объектами и волнообразными поверхностями (например, поверхность жидкости при перемешивании).

Гранулированные и сыпучие материалы также можно обнаружить ультразвуковыми методами. Поверхность сыпучих материалов не должна иметь уклон более чем 45° к оси звукового конуса. Размер гранулы (зерна) или шероховатость поверхности определяет величину диффузной составляющей эхо-сигнала, которая может быть обнаружена датчиком. Тем не менее диффузная составляющая быстро слабеет при увеличении расстояния от датчика, что создаёт трудности для надёжного обнаружения объекта.

Для обеспечения необходимого наклона отражающей поверхности к оси звукового конуса используют системы отклонения луча, которые строятся с помощью набора отражателей. Направление ультразвукового луча можно легко изменить путём отражений от элементарных дефлекторов, выполненных практически из любого материала.

Сечение зоны обнаружения фактически не изменяется, если дефлекторы имеют достаточные размеры и луч отклоняется не более двух раз. Дефлекторы требуют точной установки. Таким образом можно, например, поместить датчик в отдалении от агрессивных сред или обойти зону, занятую посторонними предметами.

Типы датчиков и инструментальные средства

Датчики с аналоговым выходом

Значение времени прохождения ультразвукового сигнала формируется в приёмном тракте датчика в виде аналогового сигнала. Производителями предлагаются комбинированные датчики обнаружения, имеющие как переключательный, так и аналоговый выход. У них есть возможность задания границ измерительного окна внутри диапазона обнаружения.

Аналоговый выход в различных моделях датчиков может обеспечивать выходной токовый сигнал 4…20 мА или выходной уровень напряжения 0…10 В. Есть также датчики с возможностью автоматического переключения типа выхода (ток/напряжение) в зависимости от вида нагрузки.

Границы измерительного окна в различных моделях датчиков могут регулироваться:

двумя потенциометрами;

посредством кодирующих переключателей;

заданием параметров через интерфейс.

Датчики с цифровым интерфейсом

Существуют датчики с цифровой обработкой сигнала, в которых предусмотрен цифровой интерфейс с внешним устройством обработки информации. Обычно используется интерфейс RS-232. Наличие цифрового интерфейса делает возможным содержательный диалог между датчиком и управляющим устройством, что повышает гибкость применения датчика и позволяет полнее использовать его возможности.

Цифровой интерфейс обеспечивает ввод параметров, требуемых для обработки сигнала. Параметрами могут быть, скажем, границы диапазона обнаружения, тип переключательного выхода (нормально закрытый или нормально открытый), режим зондирования (непрерывный или разовый), параметры среды (например, температура, измеренная в зоне обнаружения).

Посредством одного датчика можно проконтролировать наличие объекта в зоне обнаружения и определить расстояние до него. Датчики имеют также два дополнительных переключательных выхода.

Интеллектуальные датчики

Кроме датчиков с регулируемыми параметрами, которые настраиваются контроллером в зависимости от окружающих условий, существуют датчики, имеющие возможность самообучения. Они способны запоминать диаграмму отражённого сигнала при включении или при активизации процесса конфигурирования. По окончании конфигурирования (процесс teach-in) вновь поступающие отражённые сигналы сравниваются с запомненными. Датчик реагирует только на те отражённые сигналы, которые отличны от запомненных. Таким способом влияние посторонних объектов в диапазоне обнаружения может быть исключено.

Новейшее поколение ультразвуковых датчиков благодаря максимальному использованию возможностей и достижений микроэлектроники характеризуется очень малыми объёмами и возможностью установки в корпусах типоразмеров М12 и М18, имеющих длину всего 70 и 75 мм. В таком небольшом объёме реализовано множество сложных функций: teach-in (предварительное конфигурирование), синхронизация, температурная компенсация и другие. Датчики обеспечивают бесконтактное обнаружение объектов в диапазонах 30...400 мм и 50...500 м. На рис. 1.10 приведена функциональная схема УЗ-датчика UB500-18GM75-...-V15. Пример применения интеллектуальных датчиков: устройства, разработанные специально для определения уровня заполнения резервуара, запоминают отражённый сигнал при пустом резервуаре. При этом фиксируются все отражения от технологической оснастки, встроенной в резервуар, такой как мешалки, нагревательные спирали или аварийные трапы. При изменении уровня заполнения картина отражений сравнивается с исходной. «Обнаруженными» считаются объекты, не присутствовавшие при предварительном конфигурировании. Случайные сигналы помех исключаются в ходе проверки на достоверность.

В таблице 1.3 приведены технические характеристики датчика для измерения уровня в малогабаритных резервуарах.

Условные обозначения:

ВК -- вход конфигурирования;

ФПН -- формирователь порогового напряжения;

БУ -- буферный усилитель.

Рисунок 1.10 Функциональная схема УЗ-датчика последнего поколения UB500 18GM75…-V15

Общие технические параметры

Разрешающая способность

Время прихода эхо-сигнала в приёмный тракт определяется с точностью до 1 мкс (или 1,085 мкс для датчиков, управляемых микроконтроллером по RS-232). Это соответствует физической разрешающей способности 0,172 мм или 0,186 мм. Датчики серии UC... снабжены 12-разрядным ЦАП, поэтому максимально возможная разрешающая способность сохраняется, если измерительный интервал -- расстояние между ближней (A1) и дальней (A2) границей не превосходит

Таблица 1.3 Ультразвуковые датчики серии UC 500-D1 для определения уровня с тремя релейными выходами, с температурной компенсацией

Диапазон обнаружения	60…550 мм
«Слепая» зона	0…60 мм
Время отклика	10 с (реле) <1 c (светодиоды)
Электрические параметры
Рабочее напряжение	10...252 В постоянного тока 20...252 В переменного тока при частоте сети 47...63 Гц
Эксплуатационные параметры
Диапазон рабочих температур	-20...+60°С
Степень защиты	IP65
Способ подключения	Соединитель штекерный V7, 7 контактов
Выходы	Код для заказа
3 релейных выхода (НО/НЗ)	UС500-D1-3K-V7

2. Разработка структурной схемы

На рисунке приведена структурная схема устройства. Она состоит из таких основных блоков: микроконтроллер (далее МК), входной преобразователь (далее ВП), клавиатура, блок индикации, датчик, блок связи с персональным компьютером (далее БСПК). Микроконтроллер предназначен для управления процессом снятия данных с датчика, их обработки, а так же для управления всеми процессами обмена информации и выдачей информации на дисплей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.1 Структурная схема устройства

Рассмотрим вкратце примерный принцип работы устройства. Аналоговый сигнал с датчика поступает на входной преобразователь, который преобразует сигнал с датчика в сигнал с уровнем, который воспринимается АЦП микроконтроллера, таким образом, ВП производит согласование уровней напряжений. Преобразованный сигнал поступает на вход АЦП микроконтроллера, в котором осуществляется преобразование аналогового информационного сигнала с датчика в цифровой код, который обрабатывается МК. Прочитанные коды после преобразования в микроконтроллере будут записаны в память данных. Затем микроконтроллер опрашивает код клавиатуры, то есть проверяет наличие нажатия клавиши, выводит на дисплей значение текущего значения уровня, если была нажата какая либо из клавиш, то он переходит к обслуживанию нажатой клавиши, и после этого выводит затребованную информацию. Блок связи с персональным компьютером предназначен для подключения к устройству ПК через один из стандартных интерфейсов. Таким образом, имеется возможность при помощи персонального компьютера при наличии соответствующего программного обеспечения контролировать процесс работы устройства, а также дублировать индикацию уровня заполнения резервуара на экране ПК. Это значительно расширяет возможности автоматизации процесса контролирования уровня.

Основываясь на задании к дипломному проекту необходимо определить основные требования, которые предъявляются к элементам, входящим в состав устройства.

Датчик необходимо использовать ультразвуковой, разработанный специально для использования в приборах измерения уровня наполнения резервуаров, имеющий соответствующее конструктивное и электрическое исполнение. Напряжение питания датчика стандартное - 10ч30 В постоянного напряжения, выходной сигнал - аналоговый, зависимость уровня выходного напряжения от измеряемого расстояния - линейная. Зона чувствительности - до 5 метров.

Входной преобразователь должен обеспечивать согласование уровней выходного напряжения датчика и входного напряжения МК.

Блок индикации используется для отображения информации об уровне наполнения резервуара в формате X,XX метров в виде десятичных цифр. Таким образом, исходя из поставленной задачи, необходимо использовать индикатор, состоящий из трех светодиодных семисегментных индикаторов. Индикация - динамическая.

Клавиатура состоит только из одной клавиши, по нажатию которой осуществляется установка нулевого уровня заполнения резервуара - точки отсчета.

Современные однокристальные микроконтроллеры весьма функциональны, что позволяет отказаться от использования в устройстве громоздких аппаратных решений, таких как внешний аналогово-цифровой преобразователь, внешняя память, различные преобразующие и согласующие элементы, все эти блоки уже входят в состав ОЭВМ, и зачастую реализуются при помощи программных средств. Микроконтроллер в данном устройстве является основным функциональным узлом. Его модель выбирается исходя из поставленных задач.

БСПК должен обеспечивать возможность подключения устройства к ПК через интерфейс RS-232.

3. Разработка электрической принципиальной схемы устройства

3.1 Подбор ультразвукового датчика

Ультразвуковые датчики, использующиеся в приборах для измерения уровня заполнения резервуаров, выпускают многие фирны-производители. Остановимся на продукции фирмы Pepperl+Fuchs.

Среди многообразия, выпускаемых данным предприятием датчиков, выберем наиболее подходящую по характеристикам модель LUC4.

Ультразвуковые датчики LUC4 специально разработаны для измерения уровня, как жидкостей, так и сыпучих материалов.

Тефлоновое покрытие корпуса датчика позволяет применять датчик с коррозионными жидкостями. Маскирование стационарных объектов даёт возможность устанавливать датчик в местах, где подпорки или другие элементы внутренней конструкции резервуара попадают в зону измерения. Датчик также оснащён средствами для компенсации влияния изменений температуры. Кроме того, можно установить внешние зонды, которые контролируют температуру измеряемой поверхности независимо от условий в месте монтажа датчика, что минимизирует погрешности, вызванные температурными колебаниями. Внешний вид датчика LUC4 приведен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Внешний вид датчика LUC4

Основные технические характеристики датчиков серии LUC4 приведены в таблице 3.1

Таблица 3.1. Основные технические характеристики датчика LUC4

Диапазон измерения	0,3…5 м (для жидкостей)
Точность	0,5% от полного диапазона измерения
Разрешающая способность	2 мм
Напряжение питания постоянного тока	10…30 В
Выходной сигнал	Унифицированный токовый 4…20 мА (R<500 Ом), 0…10 В (R>1 кОм)
Индикаторы: рабочий режим отказ	зелёный светодиод красный светодиод (мерцание с частотой 2 Гц)
Допустимая температура окружающей среды	-25…+70°С
Допустимая температура хранения	-40…+85°С
Допустимая температура контролируемой среды	-25…+70°С
Рабочее давление	Атмосферное
Материал корпуса	Полибутентерефталат (PBT)
Материал поверхности мембраны	Политетрафторэтилен (PTFE)

Схема подключения датчика приведена на рисунке 3.2

Рисунок 3.2 Схема подключения датчика LUC4

График зависимости уровня выходного сигнала от расстояния приведен на рисунке 3.3

Расстояние ближе 0,3 метра является для датчика «мертвой зоной».



Рисунок 3.3 График зависимости уровня выходного сигнала от расстояния

3.2 Подбор микроконтроллера

Из всего многообразия существующих микроконтроллеров наиболее подходящим для решения поставленной задачи является микроконтроллер из семейства PIC, производимых фирмой Microchip.

Микроконтроллеры семейств PIC (Peripheral Interface Controller) компании Microchip объединяют все передовые технологии микроконтроллеров: электрически программируемые пользователем ППЗУ, минимальное энергопотребление, высокую производительность, хорошо развитую RISC-архитектуру, функциональную законченность и минимальные размеры. Широкая номенклатура изделий обеспечивает использование микроконтроллеров в устройствах, предназначенных для разнообразных сфер применения.

Микроконтроллеры PIC содержат RISC-процессор с симметричной системой команд, позволяющей выполнять операции с любым регистром, используя произвольный метод адресации. Пользователь может сохранять результат операции в самом регистре-аккумуляторе или во втором регистре, используемом для операции. Высокая скорость выполнения команд в PIC-контроллерах достигается за счет использования двухшинной гарвардской архитектуры вместо традиционной одношинной фон-неймановской. Гарвардская архитектура основывается на наборе регистров с разделенными шинами и адресными пространствами для команд и данных. Все ресурсы микроконтроллера, такие как порты ввода/вывода, ячейки памяти и таймер, представляют собой физически реализованные аппаратные регистры. Выберем микроконтроллер из серии PIC18FXXX. РIС18FХХХ - семейство высокопроизводительных микроконтроллеров с расширенной системой команд 16-разрядного формата (75команд) и встроенным 10-разрядным АЦП, работающие на частотедо 40 МГц. Содержат 31-уровневый аппаратный стек, встроенную амять команд до 32 К слов и способны адресовать до 4 Кбайт памяти данных и до 2 Мбайт внешней памяти программ. Расширенное RISC-ядро микроконтроллеров данного семейства оптимизировано под использование нового Си-компилятора. При проектировании устройства будем использовать микроконтроллер PIC18F252. PIC18F252 28-выводные высокоскоростные FLASH микроконтроллеры с 10-разрядным АЦП. Основные характеристики данного контроллера:

* Оптимизированная архитектура и система команд для написания программ на языке С

* Система команд совместима с командами семейств PIC16C, PIС17С и PIС18С

* Линейное адресное пространство памяти программ 32 кбайт

* Линейное адресное пространство памяти данных 1.5 кбайт

* Быстродействие до 10 MIPS:

- Тактовая частота от DC до 4МГц

- Тактовая частота в режиме PLL от 4МГц до 10МГц

* 16-разрядные команды, 8-разрядные данные

* Система приоритетов прерываний

* Аппаратное умножение 8x8 за один машинный цикл

Характеристика периферийных модулей:

* Высокая нагрузочная способность портов ввода/ вывода

* Три входа внешних прерываний

* Модуль TMRO: 8/16-разрядный таймер/счетчик с программируемым 8-разрядным предделителем

* Модуль TMR1: 16-разрядный таймер/счетчик

* Модуль TMR2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным регистром периода (основной для ШИМ)

* Модуль TMR3: 16-разрядный таймер/счетчик

* Вторичный генератор тактового сигнала на основе TMR1/TMR3

* Два модуля ССР

- Выводы модуля ССР могут работать как:

-16-разрядный захват, максимальная разрешающая способность 6.25нс (TCY/16) -16-разрядное сравнение, максимальная разрешающая способность 100нс (TCY)

- ШИМ, разрядность от 1 до 10 бит, Максимальная частота ШИМ 156кГц@8 бит; 39кГЦ@10 бит

* Модуль ведущего последовательного синхронного порта (MSSP)

- 3-х проводной интерфейс SPITM (поддерживает 4 режима)

- I2CTM (ведущий и ведомый режим)

* Адресуемый модуль USART, поддержка интерфейса RS-485 и RS-232

* Модуль PSP, ведомый параллельный порт

Аналоговые периферийные модули:

* Модуль 10-разрядного АЦП:

- Высокая скорость преобразования

- Работа модуля АЦП в SLEEP режиме микроконтроллера

-DNL = ±1Lsb, INL = ±1Lsb

* Программируемый детектор пониженного напряжения (PLVD)

- При обнаружении снижения напряжения возможна генерация прерываний

* Программируемый сброс по снижению напряжения питания

Особенности микроконтроллеров

* 100 000 гарантированных циклов стирание/запись памяти программ

* 1 000 000 гарантированных циклов стирание/запись EEPROM памяти данных

* Возможность самопрограммирования

* Сброс по включению питания (POR), таймер включения питания (PWRT), таймер запуска генератора (OST)

* Сторожевой таймер WDT с отдельным RC генератором

* Программируемая защита кода программы

* Режим пониженного энергопотребления и режим SLEEP

* Выбор режима работы тактового генератора, включая:

- 4 х PLL (от основного генератора)

- Вторичный генератор (32кГц)

* Внутрисхемное программирование по двухпроводной линии (ICSP) с одним напряжением питания 5В

* Внутрисхемная отладка по двухпроводной линии (ICD) КМОП технология

* Высокоскоростная энергосберегающая КМОП технология

* Полностью статическая архитектура

* Широкий диапазон напряжений питания (от 2.0В до 5.5В)

* Промышленный и расширенный температурные диапазоны

На рисунке 3.4 изображено расположение выводов микроконтроллера, на рисунке 3.5 его условное графическое обозначение.

...