Методы математического моделирования схем при помощи ЭВМ (на примере разработки схемы вихревых расходомеров)
История возникновения и развития методов машинного моделирования электронных схем. Контактно-кондуктометрический приемник - преобразователь вихревых колебаний, теоретические основы его работы. Технико-экономический расчет разработки электронных схем.
Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
Вид | дипломная работа |
Язык | русский |
Дата добавления | 14.11.2017 |
Размер файла | 1,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
106
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Введение
- 1. Машинное моделирование электронных схем
- 1.1 История возникновения и развития методов машинного моделирования
- 1.2 Структура программ и методы применяемые при машинном моделировании
- 1.3 Рассмотрение существующих программ машинного моделирования
- 2. Моделирование электронной схемы вихревого расходомера
- 2.1 Общие сведения о приборе
- 2.2 Контактно-кондуктометрический приемник - преобразователь вихревых колебаний (КК ППВК)
- 2.3 Теоретические основы работы кондуктометрического приемника-преобразователя
- 2.3.1 Режимы работы КК ППВК
- 2.3.2 Электрические характеристики контактно-кондуктометрического ППВК
- 2.4 Назначение входных преобразователей сигналов
- 2.5 Входной преобразователь сигналов
- 2.6 Элементы электронных схем расходомеров с КК ППВК
- 2.6.1 Генераторы импульсов для входных преобразователей
- 2.6.2 Усилители сигнала для входных преобразователей
- 2.6.3Детектор
- 3. Технико-экономический расчет разработки электронных схем
- 3.1 Технико-экономический расчет разработки электронной схемы (при помощи ЭВМ)
- 3.2 Технико-экономический расчет разработки электронной схемы (обычным способом)
- 3.3 Вычисление экономической выгоды
- 4. Безопасность и экологичность
- 4.1 Анализ условий труда при проведении эксперимента
- 4.2 Класс и категории лаборатории
- 4.3 Меры безопасности при проведении работ
- 4.3.1 Защита от возможного поражения электрическим током
- 4.3.2 Общие требования по охране труда
- 4.4 Меры обеспечения санитарно-гигиенических условий труда
- 4.4.1 Характеристика помещения при проведении работ
- 4.4.2 Устройство и организация рабочего места с учетом требований эргономики
- 4.4.3 Характеристика систем искусственного освещения
- 4.4.4 Характеристика микроклимата помещения лаборатории
- 4.4.5 Характеристика системы вентиляции
- 4.5 Личная безопасность при проведении эксперимента
- 4.5.1 Обучение безопасным методам работы
- 4.5.2 Применение средств индивидуальной защиты
- 4.5.3 Наличие санитарно-бытовых помещений и устройств
- 4.5.4 Организация питания, питьевого водоснабжения, режима труда и отдыха
- 4.6 Средства и способы пожаротушения
- Заключение
- Список использованных источников
- Приложение
Введение
Темой данной дипломной работы является рассмотрение методов математического моделирования схем при помощи ЭВМ, на примере разработки схемы вихревых расходомеров. Проектирование схем с помощью ЭВМ в данный момент является одним из наиболее перспективных способов повышения производительности и качества инженерного труда и получает все более широкое распространение в радиоэлектронике и вычислительной технике.
Традиционный подход к проектированию электронных схем заключается в том, что проектировщик, вооруженный знаниями и опытом, берет в руки карандаш и бумагу, обкладывается таблицами и, полагаясь в значительной степени на свою интуицию, составляет приближенный макет схемы. Затем наступает этап макетирования, результаты предварительного проектирования подтверждаются и возможно улучшаются путем подбора элементов методом проб и ошибок.
Однако такой подход, становится непригодным для анализа интегральных схем, потому что оказывается невозможным дублировать интегральную схему дискретными компонентами. Очевидно, что путем макетирования с помощью дискретных элементов невозможно точно воспроизвести паразитные эффекты и характеристики согласования элементов, входящих в интегральную схему. Невозможно также выполнить с помощью макетирования анализ допусков или анализ наихудшего случая, так как практически невозможно осуществить при макетировании изменение параметров приборов.
Вместо имитации схемы посредством макетирования можно воспользоваться программой на ЭВМ, которая позволит выполнить анализ схемы автоматически. Такую программу общего анализа часто называют машинной моделью. Поскольку приборы, входящие в интегральную схему, часто удается более точно имитировать с помощью модели схемы, чем с помощью дискретных физических компонент, то и результаты получаемые при машинном моделировании, могут быть значительно точнее, чем результаты макетирования. Кроме того, стоимость машинного моделирования схемы обычно составляет лишь малую часть стоимости макетирования.
В настоящее время программы моделирования электронных схем общепризнанны в качестве обязательного элемента при проектировании сложных электронных схем. Суть этого метода что оператору достаточно просто нарисовать электрическую схему на компьютере и указать номиналы использованных элементов, после чего мы имеем практически готовую схему которую мы сможем исследовать в различных режимах работы и в любой момент изменить схему путем простой перерисовки ее.
В первом разделе работы освещены вопросы истории развития машинного моделирования, структура программ машинного моделирования и приведен сравнительный анализ существующих программ.
Во втором разделе рассматривается возможность применения этого метода, на примере анализа схемы вихревого расходомера. Приведены электрические характеристики.
В третьем разделе находится экономическая часть работы. В нем рассматривается экономическая выгода получаемая при замене метода обычного проектирования электронных схем методом машинного моделирования, путем сравнения себестоимости обоих методов.
Вопросы по безопасности и экологичности проекта находятся в четвертом разделе работы. Этот раздел посвящен рассмотрению вопросов безопасности при работе с ЭВМ, а в качестве индивидуального задания выбрана разработка инструкции по технике безопасности операторов ЭВМ.
1. Машинное моделирование электронных схем
1.1 История возникновения и развития методов машинного моделирования
Отношение ученых и инженеров к применению в исследовательской работе и проектировании такого мощного средства, как ЭВМ, претерпело ряд изменений. Для первого этапа, который можно назвать эйфорическим, была характерна вера во всемогущество ЭВМ и в то, что с их помощью наконец-то удастся решить многие трудные проблемы. Затем наступил второй этап - этап разочарований. Применение ЭВМ породило больше трудностей, чем с их помощью удалось разрешить (необходимы разработка математических моделей компонентов электронных схем и создание библиотеки их параметров, совершенствование вычислительных методов для анализа многообразных режимов работы различных устройств и систем, психологическая подготовка пользователей к общению с ЭВМ и т.п.). К тому же многие задачи оказались неподвластными и ЭВМ. Объективная оценка возможностей ЭВМ дается на третьем этапе. В настоящее время мы переходим от второго этапа к третьему, чему в немалой степени способствует развитие персональных ЭВМ. Персональные ЭВМ занимают свое место в арсенале средств проектирования, с их помощью удалось решить многие трудные задачи. Но внедрение в инженерное проектирование ЭВМ происходит недостаточно быстро, и дело здесь не только в отсутствии ЭВМ на рабочем столе каждого специалиста и нехватке программного обеспечения. Одна из важных причин, это малочисленность инженеров-разработчиков, овладевших идеологией, методологией и техникой автоматизированного проектирования.
Но все же, не смотря на все трудности, автоматизация проектирования в данный момент является одним из наиболее перспективных способов повышения производительности и качества инженерного труда и получает все более широкое распространение в радиоэлектронике и вычислительной технике. В связи со сложностью и разнообразием решаемых задач и ограниченными возможностями ЭВМ, автоматизация проектирования пока еще не существует как единый сквозной процесс, который должен включать в себя:
- синтез структуры и принципиальной схемы устройства;
- анализ его характеристик в различных режимах с учетом разброса параметров компонентов и наличия дестабилизирующих факторов и параметрическую оптимизацию;
- синтез топологии, включая размещение элементов на плате или кристалле и разводку межсоединений;
- верификацию топологии;
- выпуск конструкторской документации.
Обычно процесс проектирования разбивается на уровни различного функционального содержания: структурный, функционально-логический, схемотехнический, конструкторский и т.д.; для каждого уровня разрабатываются соответствующие математические, программные, информационные, лингвистические и технические средства автоматизации проектирования.
Для большинства устройств их структура и принципиальная схема в существенной степени зависят от области применения и исходных данных на проектирование, что создает большие трудности при синтезе принципиальной схемы с помощью ЭВМ. В этом случае первоначальный вариант схемы составляется "вручную" с последующим моделированием и оптимизацией на ЭВМ. Поэтому разработчики программного обеспечения САПР сосредоточили в первую очередь усилия на создании универсальных моделирующих программ для анализа характеристик широкого класса аналоговых и цифровых устройств (при этом остается огромное поле деятельности по созданию программ синтеза принципиальных схем устройств частного назначения).
Традиционный подход к проектированию электронных схем заключается в том, что проектировщик, вооруженный знаниями и опытом, берет в руки карандаш и бумагу, обкладывается таблицами, картами и номограммами и, полагаясь в значительной степени на свою интуицию, пригодную аппроксимацию. Затем наступает этап макетирования, которого результаты предварительного проектирования подтверждаются и возможно улучшаются путем подбора элементов методом проб и ошибок.
Большинство проблем, связанных с анализом схем, решаются в два этапа. Первый этап заключается в составлении уравнений электрического равновесия в форме, позволяющей использовать законы Кирхгофа и характеристики элементов, входящих в схему. Второй этап заключается в решении этих уравнений путем применения подходящих аналитических или численных методов. До появления ЭВМ эти уравнения, как правило, решались аналитическим путем; такой подход накладывал жесткие ограничения на размер и тип схем, которые могли быть подвергнуты анализу. Большие линейные схемы (содержащие, скажем, более 50 элементов) или даже небольшие нелинейные схемы редко поддавались точному анализу. Поэтому инженеры-проектировщики полагались в основном на интуицию и усидчивость, выполняя приближенный анализ таких схем. Во всех случаях процесс анализа завершался макетированием схемы и измерениями представляющих интерес переменных параметров.
Однако даже такой подход, предполагающий макетирование, становится непригодным для анализа интегральных схем, потому что оказывается невозможным дублировать интегральную схему дискретными компонентами. Очевидно, что путем макетирования с помощью дискретных элементов невозможно точно воспроизвести паразитные эффекты и характеристики согласования элементов, входящих в интегральную схему. Невозможно также выполнить с помощью макетирования анализ допусков или анализ наихудшего случая, так как практически невозможно осуществить при макетировании изменение параметров приборов.
Вместо имитации схемы посредством макетирования можно разработать такую программу для ЭВМ, которая позволит выполнить анализ схемы автоматически. Такую программу общего анализа часто называют машинной моделью. Поскольку приборы, входящие в интегральную схему, часто удается более точно имитировать с помощью модели схемы, чем с помощью дискретных физических компонент, то и результаты получаемые при машинном моделировании, могут быть значительно точнее, чем результаты макетирования. Кроме того, стоимость машинного моделирования схемы составляет лишь малую часть стоимости макетирования.
Машинный анализ является первым шагом к автоматическому проектированию электронных схем. В настоящее время программы моделирования электронных схем общепризнанны в качестве обязательного элемента при проектировании сложных электронных схем.
Преимущества машинного анализа схем перед их макетированием настолько очевидны, что в последнее десятилетие было разработано много программ машинного моделирования и многие из них продолжают совершенствоваться в настоящее время. Каждая машинная модель разрабатывается для решения ограниченного определенного класса задач анализа схем.
В таблица 1.1 приведен перечень типовых задач, решаемых обычно методом машинного моделирования.
Таблица 1.1 - Типовые задачи анализа схем
Тип четырехполюсника |
Описание задачи |
|
I. Линейный, резистивный. (не содержит емкостей или индуктивностей) и линейный динамический (содержит хотя бы одну емкость или индуктивность) |
1. Статический анализ (нахождение решения линейного резистивного четырехполюсника по постоянному току) |
|
2. Частотный анализ (нахождение частотной характеристики линейного динамического четырехполюсника) |
||
3. Анализ переходной характеристики (нахождение переходной характеристики линейного динамического четырехполюсника) |
||
4. Анализ шумовых характеристик (анализ по переменному току или переходный анализ с источником шума на входе) |
||
5. Анализ допусков (анализ чувствительности или худшего случая) |
||
6. Определение положения полюсов и нулей переда точных функций |
||
7. Получение функций символической схемы |
||
II. Нелинейный резистивный (емкостей или индуктивностей нет) |
1. Анализ рабочей точки (нахождение статического решения нелинейной резистивной схемы) |
|
2. Определение характеристики возбуждения (нахождение соотношения между током и напряжением возбуждения) |
||
3. Определение передаточной характеристики (нахождение соотношения между выходным напряжением или током и входным напряжением или током) |
||
4. Нахождение формы выходного сигнала в зависимости, от временных функций на входе |
||
III. Нелинейный, динамический (содержит хотя бы одну емкость или индуктивность) |
1. Начальные условия, смещение или анализ равновесного состояния (анализ рабочей точки при условии, что все емкости заменены разрывами цепи, а все индуктивности - замыканиями) |
|
2. Анализ переходных характеристик (нахождение формы выходных сигналов при начальник условиях, заданных пользователем или определенных программой, при наличии входных сигналов и без них) |
||
3. Анализ установившегося состояния (нахождение периодического решения установившегося состояния при наличии входных сигналов и без них) |
||
4. Анализ нелинейных искажений (нахождение гармоник, модуляция и перекрестные искажения) |
На выбор конкретной машинной программы обычно оказывают влияние как широта возможностей программы, так и степень нашего знакомства с методикой ее использования.
машинное моделирование электронная схема
1.2 Структура программ и методы применяемые при машинном моделировании
Большинство программ машинного моделирования общего назначения состоят из пяти основных блоков: блока входных данных; блока поиска модели прибора и замещения блока формирования уравнения равновесия; блока численного решения; блока выходных данных. Соотношение этих блоков показано на рисунке 1.1, а на рисунке 1.2 и 1.3 показаны характеристики первых двух и последующих трех блоков соответственно.
Во входном блоке ЭВМ принимает информацию от пользователя. В составе этой информации должны быть данные о конфигурации схемы, характеристикам элементов и типах анализа, которые должны быть проведены. Обычно эта информация поступает с магнитных носителей или эквивалентных им носителей информации. Языки или правила для входных данных весьма разнообразны и от них зависит удобство пользования.
Особенности входного блока программы перечислены на рисунке 1.2 С учетом этих особенностей составление программы усложняется. В среднем в любой ориентированной на потребителя программе машинного моделирования около 40 % объема кодирования используется для обработки входного языка и для получения диагностики. Некоторые потребители рассматривают большинство из этих особенностей как дополнительные удобства, а не как необходимую принадлежность моделирования. Однако если какая-либо моделирующая программа имеет широкое признание, особенно среди инженеров, то одним из наиболее важных факторов для этого служит удобство потребителя.
Второй блок имеет дело с моделями приборов. Обычно этот блок не нужен для малых моделирующих программ и для программ, написанных для директивных применений, но становится очень важным в программах, применяемых при проектировании электронных схем.
Если какой-либо прибор, например транзистор типа КТ130, часто используется в этих схемах, то целесообразно описать его параметры для ЭВМ, один раз. Для полной характеристики некоторых приборов требуется использовать до 36 параметров. В таких случаях обычно применяют каталог моделей. Например, чтобы описать сложную логическую схему каждый базовый транзистор описывается лишь один раз, ему присваивается наименование модели, для которой определены характеристики внешних узлов, н затем эти данные вводятся в каталог библиотек данных.
Впоследствии, когда возникнет необходимость использовать транзистор этого типа, потребителю достаточно найти наименование модели для этого транзистора, показав одновременно, где должны быть подключены выводы транзистора. Модели могут быть заложены в библиотеке данных на нескольких уровнях. Таким образом, очень сложные схемы могут быть описаны пользователем с помощью чрезвычайно простых операторов.
Заметим, что библиотека моделей н группирование моделей не делают сложную схему простой для анализа ее машинным методом. Они способствуют лишь сокращению трудоемкости описания схемы пользователем.
Помимо возможности нахождения и выдачи модели библиотека моделей также должна допускать модификацию, изменение наименования и восстановление любой модели. Для заложенных в библиотеку моделей (т.е. моделей, конфигурация которых должна быть определена заранее, как например, модели Эберса-Молла для биполярного транзистора) программа должна также обеспечивать вычисление или доопределение необходимого количества величин "недостающих" параметров. В этом случае начинающий пользователь не должен беспокоить себя всеми деталями модели, если они не представляют интереса для решения его задачи.
Для детального изучения способов реализации первых двух блоков программы требуется знание программирования ЭВМ и работы периферийных устройств, таких как магнитные диски или печатающие устройства.
В третьем блоке программа формирует уравнения равновесия для схемы, конфигурация которой и размеры элементов должны быть полностью оговорены. Перечень методов, используемых в этом блоке, приведен в первом блоке на рисунке 1.3 Имеются три широко используемых метода: узловой, гибридный (смешанный) и метод переменных состояния.
Для анализа линейных схем по постоянному и переменному току используются методы формирования узловых уравнении и гибридных (смешанных) уравнений. Для анализа переходных процессов (а также анализа по переменному току) линейных схем применяются методы формирования уравнений состояния. Методы формирования узловых уравнений и гибридные уравнения для статического анализа нелинейных резистивных схем.
Любая схема может быть описана тремя типами ограничивающих уравнений, вытекающих из закона напряжений Кирхгофа, закона токов Кирхгофа и характеристик элементов. Эти ограничения образуют систему уравнений, часть из них является алгебраическими, а остальные - нелинейными дифференциальными уравнениями. При формировании узловых, гибридных или уравнений состояния основным соображением является уменьшение количества уравнений, которые должны быть решены одновременно. Однако при использовании преимуществ современного метода разреженных матриц вопросы сокращения количества одновременно решаемых уравнений для разреженных систем уравнений не являются актуальными. Как следствие этого, особое значение при использовании программ машинного моделирования приобретает структурный метод, который включает всю информацию о схеме в нередуцированной форме.
В четвертом блоке уравнения равновесия решаются в численном виде (в противоположность аналитическим решениям). Для решения линейных алгебраических уравнений, получаемых при узловом или гибридном анализе с вещественными или мнимыми коэффициентами, используются метод исключений Гаусса и метод LU-разложения. Для решения нелинейных алгебраических уравнений, которые могут появиться в результате узлового или гибридного анализа, используется метод Ньютона-Рафсона и кусочно-линейные методы. Для нелинейных уравнений состояния аналитическое решение в общем виде не является необходимым, и мы должны применить методы численного интегрирования.
Последним в программе машинного моделирования, но не последним по важности, следует выходной блок. Через его посредство пользователь получает ответ на поставленные вопросы. Многообразие возможностей для выхода информации показано на рисунке 1.3.
1.3 Рассмотрение существующих программ машинного моделирования
Большинство программ машинного моделирования общего назначения имеют базовые подпрограммы для анализа по постоянному току, переменному току и переходного анализа. Для получения других типов выходной информации необходимо писать специальные подпрограммы.
Автоматическое проектирование электронных схем, являющееся в настоящее время предметом широких исследований, требует хорошей программы анализа и хорошей стратегии оптимизации. Уже издано довольно много книг по теоретическим аспектам систем автоматизированного проектирования (САПР [l-8]). Однако сведений о практической работе с конкретными пакетами программ в литературе недостаточно, а данные о параметрах математических моделей отечественных компонентов вообще отсутствуют. Большое количество материалов по САПР радиоэлектронной аппаратуры приведено в справочнике [9], в котором, однако, нет данных о программном обеспечении САПР на ЭВМ.
Современные программы САПР работают в диалоговом режиме и имеют большой набор сервисных модулей, упрощающих работу на ЭВМ и делающих их "дружественными" по отношению к пользователям. В частности, предусмотрен ввод принципиальной схемы моделируемого устройства в графическом виде.
Топология печатной платы или кристалла интегральной схемы синтезируется после завершения разработки принципиальной схемы. На этом этапе проектирования решается задача размещения элементов и трассировки соединений. Наиболее успешно она решается при проектировании цифровых устройств, где вмешательство человека в процесс синтеза топологии сравнительно невелико. Разработка аналоговых устройств требует гораздо большего участия человека в процессе проектирования коррекции и при необходимости в частичной переделке результатов машинного проектирования. Основная сложность при разработке аналоговой аппаратуры заключается в автоматизации синтеза топологии и обеспечении взаимодействия программ моделирования схем и синтеза топологии.
Заключительным этапом разработки является верификация топологии. На нем проверяются соблюдение технологических норм, соответствие топологии исходной принципиальной схеме, а также рассчитываются электрические характеристики схемы с учетом паразитных параметров, присущих конкретной конструкции. При этом следует заметить, что моделирование аналоговых схем полностью не заменит, по крайней мере в ближайшее время, физического макетирования, так как при моделировании всегда выбираются упрощенные (идеализированные) схемы замещения, не полностью адекватные условиям работы реального устройства. Но зато результаты логического моделирования цифровых устройств, как было сказано выше, являются более достоверными.
Ниже приведен краткий обзор наиболее известных комплексов программ и отдельных программ автоматизированного проектирования электронной аппаратуры.
Автоматизированное проектирование печатных плат
Один из самых простых пакетов программ конструкторского проектирования - пакет smARTWORK фирмы "Wintek Corp.", который включает в себя графический редактор двусторонней печатной платы, программу ручной и автоматической трассировки соединений и программу выдачи чертежей на графопостроитель. Большими функциональными возможностями обладает пакет OrCAD фирмы "OrCAD System Corp. " CAD - аббревиатура от Computer Aided. Design (англ. автоматизированное проектирование)., в котором имеется графический редактор принципиальных схем и печатных плат, а также программы моделирования цифровых устройств и проектирования топологии. Особую привлекательность этому пакету придают удобство работы с графическим редактором и возможность перекодирования списка соединений схемы в форматы других программ, таких как P-CAD, PSpice и др.
Одна из самых мощных систем автоматизированного проектирования - система P-CAD фирмы "Personal CAD Systems, Inc.". В нее входят редакторы принципиальных схем и печатных плат, программы моделирования цифровых устройств, автоматического размещения компонентов на печатной плате и трассировки соединений, выдачи чертежей на принтер, графопостроитель, фотопостроитель, а также вспомогательные сервисные программы. Система Personal Logican фирмы "Saisy Systems Corp." позволяет проектировать цифровые устройства, включая микропроцессоры, контроллеры и устройства памяти [12]. Большие успехи достигнуты в создании САПР цифровых устройств на базе программируемых логических матриц [13]. Разработка ПЛМ возможна с помощью системы P-CAD и последних разработок фирмы "OrCAD Systems Corp.". Начаты работы по автоматизации проектирования на ЭВМ аналоговых и цифровых схем на базовых матричных кристаллах. Известны также комплексы программ CADdy ("CADdy Corp. "), Micrograph ("Micrograph Systems"), отечественные разработки МАГИСТР, "Минск ПК", ГРИФ и ряд других [10, 15].
Особо следует выделить пакет машинной графики AutoCAD фирмы "Autodesk" [10, 14]. С его помощью можно, например, создать чертеж принципиальной электрической схемы или печатной платы и затем преобразовать это графическое изображение в формат P-CAD и средствами системы P-CAD моделировать схему или разработать печатную плату. Пакет AutoCAD можно использовать также для доработки чертежей, создаваемых системой P-CAD, в соответствии с требованиями ЕСКД.
Моделирование аналоговых устройств
Наиболее доступны для пользователей, малознакомых с вычислительной техникой, программы моделирования на ЭВМ семейства Micro-Cap фирмы "Spectrum Software" [16-18]. Программа Micro Cap II обладает удобным графическим вводом принципиальной схемы и обеспечивает проведение простейших видов анализа характеристик схемы во временной и частотной областях. В программе последнего поколения Micro-Cap III используется многооконный диалог, в нее включены расчет уровня внутреннего шума и статистический анализ по методу Монте-Карло. Наличие библиотеки основных компонентов электронных схем позволяет применять эти программы при моделировании не очень сложных устройств.
В настоящее время наиболее распространены в мире программы семейства PSpice фирмы "MicroSim Corp.", именно этот пакет программ был использован при выполнении данной работы [11].
2. Моделирование электронной схемы вихревого расходомера
2.1 Общие сведения о приборе
Для рассмотрения методов машинного моделирования в данной дипломной работе была взята схема вихревого расходомера.
В состав любого расходомера или счетчика входит устройство непосредственно воспринимающее измеряемый расход (например: диафрагма, сопло, тело обтекания, лопасть и т.п.) и преобразующее его в другую величину (например: в перепад давления, частоту следования вихрей, механическое усилие и т.д.), которая удобна для измерения. Такое устройство называют - преобразователем расхода. Выходной сигнал преобразователя расхода поступает на измерительную схему, которая преобразует его в удобную для контроля и передачи показаний форму, обычно в электрический сигнал. В дальнейшем этот сигнал либо интегрируется по времени - давая значение пропорциональное количеству прошедшего через трубопровод вещества, либо, для измерения расхода - преобразуется в стандартный (например: ток величиной 0 - 5 мА или 4 - 20 мА; частоту 0 - 1 кГц или 0 - 10 кГц) и подается на вторичный регистрирующий прибор.
Рассматриваемый расходомер служит для измерения расхода воды и других жидких сред, при значительном разбросе температур от 12 до 80 оС. Счетное устройство может располагаться отдельно от преобразователя расхода или конструктивно объединятся с ним. В этом случае, получается водосчетчик с местным отсчетом показаний.
Общий вид прибора с выносным индикатором показан на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 - Общий вид водосчетчика с выносным блоком индикатора
Преобразователь имеет импульсный выход, выходная частота которого пропорциональна расходу воды в трубопроводе. Выходная цепь преобразователя изолирована от корпуса. Питание преобразователей и вторичных блоков водосчетчиков осуществляется от встроенных батарей. Время работы приборов без замены элементов питания не менее 2-х лет.
2.2 Контактно-кондуктометрический приемник - преобразователь вихревых колебаний (КК ППВК)
Обзор существующих приемников-преобразователей вихревых колебаний показывает, что устройства с колеблющимся чувствительным элементом могут служить основой для разработки наиболее конструктивно простых ППВК.
В рассматриваемом расходомере предложен приемник-преобразователь вихревых колебаний в виде тонкой гибкой пластины помещенной в канале обратной связи тела обтекания. Принципиальное устройство данного ППВК изображено на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 - Схема контактно-кондуктометрического ППВК
Пластина имеет электрический контакт с металлическим корпусом прибора и является электродом. По обе стороны от него расположены стержни, один из которых является электродом, а другой - ограничителем колебаний пластины. Таким образом, предложенный ППВК представляет собой два погруженных в жидкость электрода, один из которых гибкий. Знакопеременный поток жидкости в канале обратной связи тела обтекания заставляет гибкий электрод колебаться с частотой, равной частоте вихреобразования.
При изменении расстояния между колеблющимся гибким электродом и стержневыми электродами, одновременно меняется межэлектродная проводимость. Ее величина простыми средствами может быть преобразована в электрический сигнал. Измерения сопротивления проводников второго рода называют кондуктометрией, поэтому ППВК работающий в данном режиме может быть назван кондуктометрическим. Замыкания при взаимном касании электродов также легко преобразовать в выходной импульсный сигнал. Таким образом данный ППВК, исходя из его режимов работы, может быть назван контактно-кондуктометрическим. Указанные причины, простота конструкции и вследствие этого, высокая надежность преобразователя, позволили использовать его в серии промышленных счетчиков-расходомеров типа СХВВ.
2.3 Теоретические основы работы кондуктометрического приемника-преобразователя
2.3.1 Режимы работы КК ППВК
Из принципа действия контактно-кондуктометрического ППВК следует, что данное устройство имеет два рабочих режима, они отличаются как параметрами движения, так и методом съема выходного сигнала:
режим А (в этом режиме работает рассматриваемый расходомер), имеет место при малых амплитудах колебаний гибкого электрода, когда он не касается стержневого электрода, или касается последнего только при больших расходах измеряемой среды;
режим Б, возникает при больших амплитудах колебаний гибкого электрода, когда он касается стержневого электрода при каждом колебании во всем диапазоне измеряемых расходов. Для работы в данном режиме жесткость гибкого электрода должна быть существенно ниже, чем в первом случае.
В режиме А, колебания гибкого электрода вызывают изменения межэлектродного сопротивления между ним и одним из стержневых электродов. В этом случае, выходной сигнал снимается с одного из электродов "Э1" или "Э2" (см. рисунок 2.2), а другой стержневой электрод используется как ограничитель амплитуды колебаний и может быть оставаться неподключенным или подключаться к корпусу прибора. Изменения сопротивления межэлектродного промежутка преобразуются в электрический сигнал с помощью электронной схемы.
Контактно-кондуктометрический ППВК работающий в режиме А, отличается высокой чувствительностью, поскольку даже при небольших амплитудах колебаний гибкого электрода, на выходе устройства формируется полезный сигнал. Это позволяет использовать такой преобразователь в приборах, рассчитанных на измерение относительно малых расходов, при низких скоростях потока. Так, в работе 42 указано, что вихревые расходомеры не могут применяться при скоростях жидкости менее 0,2 м/сек, что объясняется трудностью регистрации слабых вихревых формаций. В то же время, как показано ниже, счетчик-расходомер типа СХВВ с КК ППВК, работающем в режиме А, надежно работает с чисел Рейнольдса 1200 - 1300, что для характерного размера тела обтекания 25,56 мм, соответствует скорости потока жидкости около 0,04 - 0,05 м/сек.
Вокруг поверхности погруженного в электролит металлического электрода, всегда возникает оболочка из заряженных ионов. Знак заряда ее всегда противоположен знаку заряда самого электрода. Двойной электрический слой может быть, уподоблен, согласно 43, электрическому конденсатору. Одной его обкладкой является электрод, другой - слой прилегающих к нему ионов.
Емкость и величина э. д. с. такого конденсатора зависит от потенциала электрода и строения двойного электрического слоя.
Электроды погруженные в жидкость образуют электролитическую ячейку. Упрощенная схема замещения такой ячейки представляет собой цепь 44, приведенную на рисунке 2.3.
Рисунок 2.3 - Упрощенная схема замещения контактно-кондуктометрического ППВК
Здесь, Rчэ - сопротивление чувствительного элемента, обусловленное проводимостью межэлектродного пространства, Сдс1 и Сдс2 - емкости двойного электрического слоя, который образуется на поверхности металлических электродов опущенных в электролит, Е1 и Е2 - э. д. с. двойного электрического слоя, которая возникает в виду разности электрохимических потенциалов между материалом электродов и электролитом, Емэ - межэлектродная э. д. с., которая является алгебраической суммой э. д. с. Е1, Е2 и внутренних потенциалов электродов 43.
Разность потенциалов между электродами возникает, как следует из предыдущего, в виду разности э. д. с. заряженных двойных электрических слоев на поверхностях электродов образующих электролитическую ячейку. В КК ППВК используются электроды из двух химически одинаковых металлов, на которых совершается одна и та же электродная реакция.Э. д. с. такой системы была бы равна нулю, если бы физические свойства обоих электродов, а следовательно, и их стандартные потенциалы были бы также одинаковыми. Если же благодаря различным физическим свойствам электродов их стандартные потенциалы не совпадают, то э. д. с. системы будет отличаться от нуля. Это так называемые физические цепи, одной из разновидностей которых являются аллотропические цепи. В таких цепях, к которым и относится электролитическая ячейка КК ППВК.
Э. д. с. системы будет отличаться от нуля потому, что свободная энергия двух электродов, изготовленных из металла одной и той же модификации, не обязательно одинакова. Это наблюдается, например, в том случае, когда электроды различаются по размерам образующих их зерен или находятся под различным внутренним напряжением. Электрод, образованный более мелкими кристаллами или находящийся под избыточным механическим напряжением, играет роль отрицательного полюса ячейки. Он растворяется, а на другом электроде происходит осаждение металла 43, 45.
В КК ППВК отрицательным электродом является гибкий пластинчатый электрод, а положительными - стержневые электроды. Гибкий электрод, изготавливается из мелкокристаллической модификации нержавеющей стали методом проката и имеет повышенную внутреннюю энергию. По этим причинам, на зажимах КК ППВК присутствует некоторая э. д. с., которая может служить выходным сигналом преобразователя работающего в режиме А.
При изменении расстояния между электродами во время работы ППВК, меняется величина Rчэ. Для преобразования изменений сопротивления в выходной электрический сигнал через электроды необходимо пропускать ток. Постоянный ток в данной схеме не допустим, поскольку он сопровождается явлением электролиза. Электролиз отрицательно влияет на работу преобразователя по многим причинам. Во-первых, воздействуя на электроды ППВК продукты электролиза разрушают металл электродов, возникает коррозия, в первую очередь растворяется гибкий электрод имеющий малую толщину (0,1 мм). Во-вторых, повышенная концентрация ионов в области электродов, которая возникает в процессе электролиза, изменяет электропроводность межэлектродного промежутка. Уменьшение величины сопротивления межэлектродного промежутка снижает выходной сигнал снимаемый с электродов и тем самым снижает чувствительность прибора. Поэтому, для преобразования изменения величины сопротивления в выходное напряжение, необходимо использовать переменный ток. Частота питающего тока должна быть не менее чем в 50 - 100 раз выше, наибольшей частоты модулирующего сигнала, которая равна 30 - 40 Гц. Применять более высокую частоту не имеет смысла, поскольку при этом пропорционально увеличивается потребляемый генератором ток. Таким образом, для работы ППВК, необходимо питать электроды переменным током частотой 2 - 5 кГц. На выходе, между корпусом прибора и одним из стержневых электродов, возникает амплитудно-модулированное напряжение с величиной модуляции 5% - 10%, огибающая которого, изменяется с частотой вихреобразования.
При возникновении электрического контакта между электродами, что возможно при больших отклонениях гибкого электрода, коэффициент модуляции выходного напряжения возрастает до 100%, но при этом работа устройства не нарушается. Замыкания электродов можно устранить, установив на концы стержневых электродов резиновые или пластмассовые изоляторы. Одновременно такие наконечники будут служить демпферами для гашения паразитных высокочастотных колебаний гибкого электрода, которые могут возникать в некоторых случаях.
2.3.2 Электрические характеристики контактно-кондуктометрического ППВК
Через жидкость между электродами постоянно протекает переменный ток. Он течет между гибким и неподвижным электродами. Величина тока, пределы его изменения при работе прибора, оказывают определяющее влияние на все характеристики прибора, как эксплутационные, так и метрологические. Чем меньше будет величина протекающего тока, тем экономичнее будет расходоваться энергия источника питания электронной схемы. При малых токах, порядка 5 - 10 мкА, оказывается возможным перевести схему прибора на питание от батарей. Современные химические источники тока имеют высокие показатели и могут быть успешно использованы в расходометрических устройствах. В нашем устройстве используются батареи на основе лития, они имеют высокую энергоемкость, малый саморазряд, долгий срок хранения.
Модуляция межэлектродного сопротивления, возникающая при колебаниях гибкого электрода, преобразуется электронной схемой в выходной сигнал. Глубина модуляции определяет уровень снимаемого сигнала, а следовательно - чувствительность прибора. Чем меньше величина модуляции (относительного изменения сопротивления), тем труднее выявить полезный сигнал, тем сложнее будет измерять малые расходы 42.
2.4 Назначение входных преобразователей сигналов
КК ППВК преобразует возникший на теле обтекания вихрь в электрическую величину. В кондуктометрическом режиме работы, выходной величиной преобразователя является изменение межэлектродного сопротивления.
Входной преобразователь сигналов, предназначен для восприятия колебаний межэлектродного сопротивления снимаемых с выхода КК ППВК и трансформации его в электрические импульсы, следующие с частотой пропорциональной частоте вихреобразования.
Кроме того, входные преобразователи сигналов должны обеспечивать некоторую фильтрацию информации в своем тракте. Это связано с тем, что наряду с полезными сигналами КК ППВК может реагировать на помехи. Помехи могут возникать и внутри самого измерительного тракта, например в виде дребезга при соприкосновении электродов друг с другом.
Для удобства восприятия информации или согласования ее с тепловычислителями или другой аппаратурой, выходные сигналы преобразователей расхода должны быть нормированы как по электрическим параметрам (амплитуде, длительности импульсов и т.д.), так и по метрологическим. Последнее означает, что каждый выходной импульс прибора должен соответствовать строго определенному количеству прошедшей через прибор жидкости. Обычно это целое число литров или м3 приходящееся на один импульс. Например: 1; 10; 100; л/имп или 1; 10; 100 м3/имп. Поэтому одна из основных функций выходного преобразователя - нормирование выходных сигналов прибора.
Электрическая схема КК ППВК такова, что один из электродов имеет электрический контакт с трубопроводом. Технологические трубопроводы могут находится под различным потенциалом относительно входных цепей вторичных приборов, подключаемых к вихревым расходомерам. Поэтому, для электрической развязки цепей, исключения попадания на вход вторичных приборов электростатических потенциалов и др. помех, необходимо осуществлять гальваническое разделение выходных сигналов преобразователей расхода. Это является важной функцией входного преобразователя сигнала.
Таким образом, входные преобразователи сигналов должны решать следующие задачи:
Преобразование сигнала КК ППВК в электрическую величину.
Фильтрация помех в информационном тракте.
Нормирование выходного сигнала.
Гальваническая развязка выходных сигналов.
2.5 Входной преобразователь сигналов
В такт с частотой вихреобразования изменяется величина межэлектродного сопротивления. Поэтому, входной преобразователь для данного режима, должен в конечном итоге, реагировать на изменение сопротивления.
Метод работы входного преобразователя основан на амплитудной модуляции сигнала переменного тока частотой 2 кГц, при изменении величины межэлектродного сопротивления. Структурная схема такого устройства приведена на рисунке 2.4, а на рисунке 2.5 приведена принципиальная схема рассматриваемого нами устройства.
Рисунок 2.4 - Входной преобразователь с АМ
Генератор импульсов - Г, вырабатывает последовательность несущих импульсов. Частота их, как было показано ранее равна 2 кГц. Импульсы через ограничительный резистор R и конденсатор С1, поступают на межэлектродный промежуток с сопротивлением - Rчэ. В результате, через Rчэ протекает переменный ток прямоугольной формы. При изменении величины межэлектродного сопротивления, меняется амплитуда напряжения Uчэ. Это напряжение усиливается с помощью усилителя У, детектируется амплитудным детектором - АД. После фильтрации, на конденсаторе С3 присутствует напряжение, изменяющееся с частотой колебаний сопротивления Rчэ, т.е. с частотой вихреобразования. Формирователь импульсов - ФИ, формирует из него импульсы, которые далее нормируются и поступают на выходной каскад преобразователя.
Рисунок 2.5 - Принципиальная схема рассматриваемого расходомера
2.6 Элементы электронных схем расходомеров с КК ППВК
Рассматривая структурную схему входного преобразователя расхода можно видеть, что в его состав входит ряд устройств электроники: генераторы, усилители, детекторы, формирователи импульсов и т.д.
2.6.1 Генераторы импульсов для входных преобразователей
В схемах входных преобразователей на микросхемах большую роль играют различные импульсные устройства, важнейшим из которых является генератор переменного напряжения для питания КК ППВК. Им служит генератор импульсов с частотой около 2 кГц. Импульсы прямоугольной формы, через разделительный конденсатор поступают на электроды чувствительного элемента. К генераторам для входных преобразователей, как правило, не предъявляется особых требований по стабильности частоты. Главное требование - это надежность и легкий запуск.
Генераторы для устройств с батарейным питанием, могут строиться на основе специализированных микросхем 46, например К561АГ1. Генераторная часть таких микросхем, работающая в линейном режиме при медленно меняющихся потенциалах, строится на основе элементов без обычных мощных выходных каскадов, что существенно снижает потребление тока. Кроме того, существенная экономия потребляемой мощности может быть достигнута, путем применения генераторов вырабатывающая импульсы большой скважности. При этом, нагрузка питается узкими импульсами напряжения, длительность которых в 30 - 50 раз меньше, чем период их следования. В результате, средний ток потребляемый нагрузкой (чувствительным элементом) значительно снижается. Кроме того, последовательно с нагрузкой можно включать дополнительный резистор, ограничивающий величину потребляемого ею тока. Все эти меры, позволяют весьма значительно снизить мощность потребляемую входным преобразователем. Последние меры, приводят к необходимости компенсировать снижение чувствительности КК ППВК, за счет усиления снимаемого с него сигнала. Но усилитель может быть весьма экономичным устройством, поэтому в целом, схема может быть весьма перспективной.
На рисунке 2.6, приведена схема генератора импульсов большой скважности на основе микросхемы сдвоенного ждущего К561АГ1.
Рисунок 2.6 - Генератор импульсов на сдвоенном одновибраторе
Элементы R1 и C1 определяют длительность паузы между импульсами, а элементы R2 и C2 - длительность самого импульса. Для входных преобразователей принимают:
(2.6.1.1)
При моделировании схемы мы заменили генератор импульсов изображенного на рисунке 2.5 на стандартный генератор импульсов, который имеется в библиотеке элементов программы Design Centr 8, задав ему параметры аналогичные реальному генератору. Частота генератора 2 кГц, минимальное напряжение 0 В, максимальное напряжение 3 В, длительность импульса 0,05 мс, период повторения 0,5 мс.
Чтобы смоделировать сигнал создаваемый КК ППВК за счет колебаний тела обтекания, который впоследствии поступает на усилитель, нами была разработана математическая модель импульсного источника, изображенного на рисунке 2.7, который генерирует импульсы которые по форме и амплитуде похожи на реальные импульсы.
Рисунок 2.7 - Модель КК ППВК импульсного источника
Элемент V1 - это импульсный источник тока (рисунок 2.8), V2 - синусоидальный источник напряжения (рисунок 2.9), который управляет работой ключом R_Var, с амплитудой 0,5 В и частотой 50 Гц, R3 = 10 кОм, С3 = 250 нФ, R_Var - ключ управляемый напряжением, напряжение замыкания ключа , напряжение размыкания ключа , сопротивление замкнутого ключа , сопротивление разомкнутого ключа .
Рисунок 2.8 - Сигнал на выходе источникаV1
Рисунок 2.9 - Сигнал на выходе источникаV2
Ключ R_Var работает следующим образом, на ключ подается управляющее напряжение с источника V2 , если напряжение на входе ключа меньше чем напряжение замыкания то ключ замкнут, а при управляющем напряжении большем чем напряжение размыкания ключ разомкнут. На интервале сопротивление ключа плавно изменяется от до . На рисунке 2.10 показан сигнал на выходе КК ППВК источника.
Рисунок 2.10 - Сигнал на выходе КК ППВК источника
2.6.2 Усилители сигнала для входных преобразователей
Переменное напряжение модулируемое по амплитуде колебаниями гибкого электрода должно быть предварительно усилено, перед детектированием. Это необходимо для обеспечения достаточной чувствительности преобразователя, которая позволяет измерять малые расходы жидкости. Кроме того, необходим некоторый запас по усилению в измерительном тракте, поскольку, изменения объемного сопротивления измеряемой среды могут привести к снижению снимаемого с КК ППВК сигнала.
...Подобные документы
Разработка и унификация аналоговых и импульсных интегральных схем. Сущность экспериментального моделирования. Описание математического моделирования. Программа моделирования работы схемы содержит ряд типовых подпрограмм. Оптимизация схемы (модели).
реферат [1006,5 K], добавлен 12.01.2009Характеристика основных задач электронных схем. Характеристика схемы усилительного каскада, назначение топологии электрических схем и усилительного каскада с общим эмиттером Особенности составления матрицы узловых проводимостей. Применение ППП "MicroCap".
контрольная работа [1,8 M], добавлен 27.04.2012Основные методы проектирования и разработки электронных устройств. Расчет их статических и динамических параметров. Практическое применение пакета схемотехнического моделирования MicroCap 8 для моделирования усилителя в частотной и временной областях.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 23.07.2013Классификация типов электрических моделей и моделирования интегральных схем. Основной задачей моделирования интегральной схемы является оптимальный синтез ее принципиальной электрической схемы (модели). Дискретные логические схемы. Параметры и типы схем.
реферат [1,1 M], добавлен 12.01.2009Алгоритмические методы широко используются для измерения и расчёта параметров математических моделей радиокомпонентов в системах автоматизированного проектирования электронных схем. Для их проектирования используются электронно-вычислительные машины.
диссертация [376,4 K], добавлен 15.12.2008Управляющая оболочка Schematics. Графический редактор: конфигурация; установка параметров изображения; подключение библиотек. Создание принципиальных схем. AC Sweep-расчёт частотных характеристик. Конфигурирование и запуск программы моделирования PSpice.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 23.03.2011Динамический режим работы усилителя. Расчет аналоговых электронных устройств. Импульсные и широкополосные усилители. Схемы на биполярных и полевых транзисторах. Правила построения моделей электронных схем. Настройка аналоговых радиотехнических устройств.
презентация [1,6 M], добавлен 12.11.2014Логическая схема как совокупность логических электронных элементов, соединенных между собой. Разработка схемы управляющего автомата. Выбор аналоговых элементов. Разработка управляющего автомата и проектирование его. Элементы цифровых электронных схем.
курсовая работа [507,2 K], добавлен 29.01.2015Выбор и описание принципиальной и функциональной схем трансформатора. Особенности моделирования преобразователя напряжения в частоту с повышенной линейностью передаточной характеристики в составе частотно-импульсного модулятора в среде MicroCAP-9.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 08.06.2012Характеристика основных компонентов для исследования цифровых схем. Порядок работы с системой моделирования. Особенности структуры компонентов моделирования цифровых схем, исследование платы на безопасность, разработка интерфейсной части и алгоритмов.
курсовая работа [238,9 K], добавлен 12.07.2013Понятие электронного усилителя, принцип работы. Типы электронных усилителей, их характеристики. Типы обратных связей в усилителях и результаты их воздействия на работу электронных схем. Анализ электронных усилителей на основе биполярных транзисторов.
курсовая работа [540,7 K], добавлен 03.07.2011Описание структурной и функциональной схем электронных часов, выбор элементной базы. Разработка счетчика времени с системой управления на базе микроконтроллера. Экономический расчет затрат на проектирование, разработку и сборку макета электронных часов.
дипломная работа [223,5 K], добавлен 26.07.2015Описание возможных вариантов построения принципиальных и структурных схем радиовещательных переносных бытовых приемников первой группы сложности. Электрический расчет структурных схем. Обоснование принципиальных схем отдельных каскадов или блоков.
курсовая работа [550,1 K], добавлен 23.08.2012Автоматизация конструирования. Разработка схем цифровых устройств на основе интегральных схем разной степени интеграции. Требования, методы и средства разработки печатных плат. Редактор АСП DipTrace. Требования нормативно-технической документации.
отчет по практике [2,9 M], добавлен 25.05.2014Расчет усилителя на биполярном транзисторе. Проектирование генератора гармонических колебаний на основе операционного усилителя с использованием моста Вина. Расчет параметров каскада по полезному сигналу. Подбор элементов схемы для источника питания.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 29.04.2014Разработка структурной схемы устройства и принципиальных электрических схем отдельных его узлов. Обоснованный выбор элементной базы и величин питающих напряжений. Расчет величин основных параметров отдельных элементов схем и допусков на эти величины.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 17.05.2014Анализ компьютерного моделирования электрических схем и электродинамических характеристик привода. Разработка заказных интегральных схем драйвера электродвигателя. Описания устройства контроля положения привода в пространстве, расчет основных узлов.
курсовая работа [3,6 M], добавлен 26.12.2011Правила использования структурных схем для моделирования САР. Правила преобразования структурных схем. Статический регулятор прямого действия. Построение динамических моделей типовых регуляторов оборотов. Оценка устойчивости разомкнутых и замкнутых САР.
контрольная работа [395,5 K], добавлен 29.01.2015Создание интегральных схем и развитие микроэлектроники по всему миру. Производство дешевых элементов электронной аппаратуры. Основные группы интегральных схем. Создание первой интегральной схемы Килби. Первые полупроводниковые интегральные схемы в СССР.
реферат [28,0 K], добавлен 22.01.2013Расчет усилителя на биполярном транзисторе, параметров каскада по полезному сигналу. Моделирование усилительного каскада. Расчет генератора синусоидальных колебаний с мостом Вина и цепью автоматической регулировки усиления. Расчет источника питания.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 13.05.2014