бесплатно рефераты скачать
  RSS    

Меню

Быстрый поиск

бесплатно рефераты скачать

бесплатно рефераты скачатьКурсовая работа: Комп’ютерний засіб вимірювання тиску і температури у кліматичній камері

Курсовая работа: Комп’ютерний засіб вимірювання тиску і температури у кліматичній камері

Міністерство освіти та науки України

Вінницький національний технічний університет

Інститут автоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління

Факультет автоматики та комп’ютерних систем управління

Кафедра Метрології та промислової автоматики

Курсовий проект

з курсу “Проектування випробувального обладнання та його метрологічна атестація"

КОМП’ЮТЕРНИЙ ЗАСІБ ВИМІРЮВАННЯ ТИСКУ І ТЕМПЕРАТУРИ У КЛІМАТИЧНІЙ КАМЕРІ

Виконав: ст. гр.1АМ-04

Пісковий С.В.

Перевірив: к. т. н., доц. каф. МПА

Кулаков П.І.

ВНТУ - 2009


Зміст

Вступ

1. Методи та засоби вимірювання тиску і температури

1.1 Методи вимірювання тиску

1.2 Методи вимірювання температури

2. Розробка структурної схеми комп’ютерного засобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері

3. Розробка електричної принципової схеми комп’ютерного засобу вимірювання тиску і температури у кліматичній камері

4. Електричні розрахунки

4.1 Електричний розрахунок джерела живлення

4.2 Електричний розрахунок тактового генератора мікроконтролера

5. Розрахунок похибки вимірювання тиску і температури у кліматичній камері

Висновок

Література


Вступ

Доповнення персональних комп’ютерів (мікроЕОМ) набором змінних плат (аналого-цифровим і цифро-аналоговим інтерфейсом) перетворю комп’ютери на могутній засіб вимірювання з десятками вимірювальних функцій при відповідному програмному забезпеченні. Такі засоби вимірювання називаються комп’ютерно-вимірювальними системами (КВС).

Застосування персональних комп’ютерів (ПК) для розв’язання вимірювальних завдань визначається трьома факторами:

складом технічних засобів, що визначають конфігурацію ПК;

наявністю перетворювачів (АЦП, ЦАП тощо), конструктивно сумісних із системним каналом ПК;

обсягом відповідного програмного забезпечення (як системного, так і прикладного), орієнтованого на розв’язання даного вимірювального завдання.

Більше того, КВС за потенціальними можливостями значно багатша свого попередника - вимірювального приладу. Будучи забезпеченою комплектами плат відповідного призначення, а також необхідним складом програмного забезпечення, персональна ЕОМ стає багатоцільовою вимірювальною системою. Маючи розвинене програмне забезпечення у вигляд спеціалізованих операційних систем із мовами високого рівня, векторну систему переривання, засоби прямого доступу до пам’яті, єдиний системний канал, набір уніфікованих інтерфейсів, можна організувати складні системи з управлінням в реальному масштабі часу.


1. Методи та засоби вимірювання тиску температури

1.1 Методи вимірювання тиску

Вимірювання і реєстрація тиску широко розповсюджені як в промисловості, так і в повсякденному житті: метеорологічн барометри показують атмосферний тиск, медичні тонометри - тиск у манжеті. Не слід забувати і о висотомірах (альтиметрах), які, по суті, представляють собою ті ж самі барометри, але зі спеціальною шкалою.

Практично усі сенсори тиску відносяться до класу параметричних перетворювачів. У параметричних перетворювачах неелектрична величина перетворюється на приріст параметра електричного кола (R, L, C, M), тому особливістю роботи таких перетворювачів є потреба в додатковому джерел енергії. Основними видами параметричних перетворювачів, які застосовуються при вимірюванні тиску є тензорезистивні, ємнісні і індуктивні сенсори. Проте інколи використовуються і генераторні перетворювачі. У генераторних перетворювачах вхідна величина перетворюється у вихідний сигнал, який має енергетичн властивості.

Тензометричний сенсор або тензометр - це резистивний елемент, електричний опір якого змінюється при механічній деформації. Це явище називається п’єзоефектом. Деформація може бути повздовжньою, поперечною або деформацією форми.

В основу принципу їх дії покладена зміна активного опору провідника при його деформації. Це підтверджується наступною формулою:

 (1.1)

В більшості тензометричних сенсорів використовують чотири тензометра, які утворюють схему моста Уітстона.

Широко застосовувані нині наклеювані дротов тензорезистори - це тонкий зигзагоподібний дріт, який наклеюється на еластичну смужку (підкладку). Тензорезистори наклеюються на досліджуваний об’єкт так, щоб вони разом із ним зазнавали деформації стискання або розтягування.

Принципово нові можливості у розвитку тензорезисторних датчиків на основі напівпровідникових чутливих елементів відкрилися з розробкою і дослідженням структур типу “кремній на діелектрику". Із них найбільш вивчена і технологічно освоєна структура “кремній на сапфірі". Це тонка монокристалічна плівка кремнію, вирощена на монокристалічній сапфіровій підкладці з певною кристалографічною орієнтацією. Такі перетворювач мають хороші пружні властивості, малу похибку гістерезису, широкий діапазон вимірюваних деформацій.

В ємнісних перетворювачах використовується залежність ємності конденсатора від розмірів, взаємного розміщення його обкладинок і діелектричної проникності середовища між ними.

В ідеальному випадку ємність плоского конденсатора

 (1.2)

З цієї формули випливає, що ємність плоского конденсатора збільшуватиметься при зростанні діелектричної проникност середовища e і площі пластин S і зменшуватиметься зі збільшенням відстані між пластинами d. Отже, всі фізичні величини, які безпосередньо або через допоміжн фактори будуть впливати на змінні e, S і d, можна виміряти за допомогою ємнісних датчиків. Останні можуть мати найрізноманітніше конструктивне виконання: дві чи три плоскі пластини, циліндр у циліндрі тощо.

Рисунок 1.1 - Ємнісний перетворювач

Таким чином, під ємнісним датчиком розуміють систему електродів, ємність яких однозначно залежить від значення задано фізичної величини.

Чутливість ємнісних перетворювачів з площинними електродами є лінійною функцією зміни площі взаємодії електродів зміни діелектричної проникності середовища між ними:

 (1.3)

У той самий час чутливість відносної відстан між електродами є нелінійною функцією:

 (1.4)

Основні переваги ємнісних датчиків - висока чутливість; відсутність рухомих деталей, які труться; простота конструкції; мала нерційність. До їх недоліків слід віднести вплив зовнішніх електричних полів, паразитних ємностей, температури і вологості.

Індуктивні перетворювачі із змінною довжиною повітряного зазора, в них використовується залежність індуктивності L від довжини повітряного зазора d. Якщо знехтувати опором магнітопровода, незначним порівняно з магнітним опором зазора, а також втратою потужності в магнітопроводі, то одержимо

, (1.5)

де m0 - магнітна постійна;

w - число витків котушки;

S - ефективна площа повітряного зазора.

Рисунок 1.3 - Індуктивний перетворювач із змінною довжиною повітряного зазора

Як наслідок індуктивний перетворювач із змінною довжиною повітряного зазора є нелінійним перетворювачем, залежність L від довжини зазора d близька до гіперболічної.

З достатнім для практики рівнем наближення можна вважати його лише при малих відносних змінах довжини повітряного зазора Dd/d. У реальних конструкціях перетворювачів відносна зміна зазора Dd/d = 0,1...0,15 при нелінійності характеристики 1-3%. Тому такі перетворювачі застосовуються для перетворення невеликих тисків, сил і переміщень.

Диференціальні індуктивні перетворювачі. Значне поліпшення лінійності при одночасному збільшенні чутливості досягається в диференціальних перетворювачах із двома перетворювальними елементами, що мають загальну рухому частину. У них рухомий якір розміщено симетрично відносно обох осердь із початковим зазором , і магнітні опори для потоків, що створюються двома котушками, однакові. Зміна магнітних опорів, що проходить при переміщенні Dd якоря, мають протилежні знаки. При зустрічно-послідовному вмиканн обмоток їх сумарна індуктивність

 (1.6)

Внаслідок того, що в знаменнику останнього виразу відношення Dd/d знаходиться в квадраті, в диференціальному перетворювачі лінійність характеристики забезпечується в більш широких межах. Через це практично ус ндуктивні перетворювачі виконуються диференціальними.

Індуктивні перетворювачі із змінною площею повітряного зазору застосовуються для перетворення переміщень рухомого феромагнітного осердя в діапазоні 5...20 мм. Функція перетворення таких перетворювачів практично лінійна.

Індуктивні перетворювачі плунжерного типу найбільш поширені. В основу дії цих перетворювачів покладено зміну магнітного опору ділянок розсіювання магнітного потоку, а отже, й індуктивності котушки при переміщенні феромагнітного рухомого елемента (плунжера) всередині котушки. Найчастіше застосовуються диференціальні плунжерні перетворювачі з магнітопроводом. Плунжерн перетворювачі мають, як правило, лінійні характеристики і забезпечують перетворення переміщень від кількох міліметрів до кількох десятків сантиметрів.

В залежності від технології, що використовується, сенсор тиску без електронної частини може бути і дуже дорогим, і відносно дешевим. Економічні сенсори, побудовані на основі кристалу кремнію, були настільки вдосконалені, що тепер параметри професійного рівня можна отримати, придбавши виріб приблизно за 25 доларів. Такий сенсор складається з двох основних частин: герметичного корпуса, зазвичай оснащеного штуцерами, які дозволяють під’єднувати гнучкі трубки, і дуже незвичайного напівпровідникового кристала. На одній і тій самій кремнієвій пластині виконан класичні електронні компоненти, і струнні сенсори натягу.

Революційна ідея полягає у тому, що сама пластина, певна частина якої зроблена дуже тонкою за допомогою мікрообробки, відіграє роль мембрани, яка деформується під впливом тиску.

Перші сенсори, виготовлені за цією технологією, давали не дуже добрі показники. У них був відчутний температурний дрейф, а також значний зсув нуля, який сильно змінювався від зразка до зразка. Електронн пристрої корекції, на щастя, могли суттєво згладити ці недоліки, а на сьогоднішній день стан значно покращився.

Виконання на одній пластині, окрім струнних сенсорів натягу, терморезисторів і резисторів з лазерною підгонкою дозволя виробникам створювати і випускати вже калібровані і термокомпенсовані сенсори. Використовувати х дуже просто: достатньо подати постійну напругу на одну діагональ моста, який складається з струнних сенсорів натягу, і знімати з іншої діагоналі цього моста напругу, пропорційну прикладеному тиску.

Сенсори як цього так і інших типів випуска фірма Motorola, яка є ведучим виробником сенсорів тиску. Фірма Motorola пропонує велику кількість сенсорів, які відрізняються підвищеною стійкістю до дії агресивних речовин, високою точністю вимірювань в широкому діапазон температур, малими габаритами.

Рисунок 1.4 - Сенсори тиску фірми Motorola

Важливою перевагою сенсорів фірми Motorola те, що більшисть із них термокомпенсовані, тобто вони мають однакову точність первинного перетворення в широкому диапазоні температур. Окрім того вони мають вбудовану мостову схему і буфер, що дозволяє отримати на виході сигнал постійної напруги, прямо пропорційний тиску, або послідовність імпульсів, шпаруватість яких є інформативним параметром вихідного сигналу сенсора. Для розробки приладу обираємо термокомпенсований тензоперетворювач тиску фірми Motorola MPX1986. Вихідним сигналом цього сенсора є послідовність імпульсів, шпаруватість яких прямо пропорційна тиску.

1.2 Методи вимірювання температури

В сучасному промисловому виробництві, наукових дослідах, при дослідженнях матеріалів і зразків найбільш розповсюдженими виміри температури. Широкий діапазон вимірювальних температур, різноманітність умов використання засобів вимірювання і вимог до них визначають, з одного боку, різноманітність використовування засобів вимірювальної температури, а з друго сторони, необхідність розробки нових типів первинних перетворювачів.

Температура поряд з тиском і обсягом явля собою одну з трьох основних величин, що характеризують термодинамічний стан речовини, і безпосередньо пов'язана з його внутрішньою енергією. Практично немає жодної галузі діяльності людини, де б не вимагалося вимірювати регулювати температуру, тому вона є однією з найбільш часто вимірюваних фізичних величин. Температура - це статистичне поняття, яке приміняється до систем, які складаються з великого числа часток, що знаходяться в тепловій рівновазі. Енергія часток, усереднена по їхньому числу, і визначає температуру системи (об'єкту).

Температура (temperature) латинське слово, що означає "суміш". При взаємодії двох рівно зважених систем, що мають різні температури, відбувається перехід енергії від системи з більшим енерговмістом в систему з меншим енерговмістом, доки обидві системи не приймуть новий стан рівноваги. Спільним для усіх видів часток первісно поділених систем температура.

Діапазон температур, що вимірюється надто великий. Шляхом розчинення гелію 3Не в звичайному рідкому гелії 4Не досягнута температура 0.001 К. Методами магнітного охолоджування одержана температура 0.000016 К. Верхня межа існуючих температур практичні не обмежена. Як припускають, на початку розвитку Всесвіту існувала надто гаряча плазма з температурою 41031 К. Зараз практично необхідно вимірювати температури порядку 108 К і більше, що мають місце в гарячій плазмі та при термоядерних реакціях.

Діапазон існуючих температур можна поділити на ряд характерних піддіапазонів: наднизькі температури (0-4,2 К), низькі (4.2-273 К), середні (273-1300 К), високі (1300-5000К) та надвисокі (від 5000 К і вище). Наднизькі і низькі температури необхідно вимірювати при проведенн різноманітних фізичних експериментів, і особливо при дослідженні надпровідност та її технічному застосуванні, у криогенній техніці та ін. За верхню межу надто низьких температур умовно прийнята температура, при якій провідники переходять у надпровідний стан. Найбільш часто температури, що вимірюються лежать в області низьких, середніх та високих температур. Такі виміри мають місце у різноманітних галузях народного господарства, при наукових дослідженнях, в медицин та ін.

Потреба у вимірі надто високих температур безупинно зростає, особливо у зв'язку з розвитком плазмених методів обробки матеріалів, ракетної та космічної техніки, а також при дослідженні управляємих термоядерних реакцій. Діапазон надвисоких температур починається приблизно з 4000-5000 К, тобто з температур, при яких всі речовини при нормальному тиску переходять у газоподібний стан. Температури, які находяться на початку діапазону надвисоких температур (4000-20000К), мають місце при слаботочних електричних дугових розрядах, в газорозрядних лампах, у ракетних двигунах, на поверхн Сонця (приблизно 6000 К), на тепловому щиті космічних апаратів, в плазмотронах для обробки матеріалів (5000-20 000 К) і т. ін.

Температури порядку 5×104-105 К мають місце в стаціонарних електричних дугах і надзвукових потоках плазми, при короткочасних електричних розрядах у фокусі плазми. При ядерних реакціях, всередині Сонця та зірок температури досягають 108 К. Ще більш високі температури спостерігаються при неконтрольованих термоядерних реакціях (воднева бомба).

Необхідно відзначити, що температура належить до фізичних величин, точність виміру яких ще невелика. При проведенні наукових досліджень, в частковості при визначенні фундаментальних фізичних констант, необхідно вимірювати температуру з похибкою 10-2-10-4%. У промисловості також існує потреба у підвищенні точності виміру температури. Зараз промислові прилади забезпечують вимір температури з похибкою 0.5-1% і більше. Підвищення точності виміру температури, наприклад, при розливі стали на 0.1% дасть можливість поліпшити на 5-10% якісні показники сталі.

Різноманітні засоби вимірювання температури можна поділити за типом первинних вимірюючих перетворювачів.

В діапазоні низьких і середніх температур використовуються в основному контактні методи вимірювання, причому найбільш широко на практиці використовуються первинні перетворювачі в виді термометрів опору і термопар. При цьому необхідно враховувати, що в більшості випадків температуру необхідно вимірювати в багатьох точках об’єкту і дистанційно, тобто первинні перетворювачі можуть бути віддалені від вторинного вимірювального приладу на великі відстані.

Частіше всього включаються в зрівноважену мостову схему. Зрівноваження моста здійснюється за допомогою потенціометра. При вимірюванні опір резистора Rt, відповідно змінюється положенням потенціометра R і на його шкалі формуються показання мостового термометру

 (1.7)

де R1, R2 - опори одинарного мосту.

Недоліком такої (двохдротової) схеми включення термометра опору є суттєва похибка, що вноситься опорами Rл1,Rл2 провідників, якими він підключений до мостової схеми.

При вимірюванні температури навколишнього середовища проходить зміна опорів проводів, що робить неможливим компенсацію вказаної похибки. Для зниження цієї похибки використовують трипровідну схему підключення термометрів опору. В цьому випадку опори проводів Rл1,Rл2 виявляються не в одній, а в різних (сусідніх) плечах моста і тому їх вплив суттєво зменшується. При симетрії моста їх опори віднімаються. Опір Rл3, третього провідника виявляється ввімкненим в коло джерела живлення і на результат вимірювання не впливає.

При збільшенні довжини лінії зв’язку, описан методи часто не дозволяють забезпечити високу точність вимірювання температури виникає необхідність в попередньому перетворенні опору терморезистора в який-небудь параметр електричного сигналу, що забезпечує точну і завадостійку передачу вимірювальної інформації.

При використанні термоелектричних перетворювачів (термопар) виникає необхідність вимірів значення термо-ЕРС на виході термопари. Під час вимірювання температури вільні кінці термопари повинні бути при постійній температурі. Вільні кінці термопари конструктивно виведено на клеми для розміщення їх поблизу до об’єктів, тобто в зон вимірюваної температури. Щоб віднести ці кінці в зону постійної температури, використовуються подовжувальні провідники, що складаються з двох жил, як виготовлено з металів чи сплавів і які мають однакові термоелектричн властивості з термоелектродами термопари. В лабораторних умовах температура вільних кінців термопари підтримується рівною 0 0С шляхом розміщення х в ємності Д'юара, наповненій потовченим льодом з водою. В промислових умовах температура вільних кінців термопари звичайно відрізняється від 0 0С. Оскільки градуювання термопар виконується при температурі вільних кінців 0 0С, то ця різниця може бути джерелом суттєвої похибки. Для зменшення цієї похибки необхідно ввести поправку в покази термометра. Проте необхідно мати на увазі, що функція перетворення термопари нелінійна, а відповідно, значення поправки повинно залежати не тільки від температури вільних кінців термопари, але і від значення вимірюваної температури. Ця обстава ускладнює точну корекцію вказано похибки шляхом введення поправки. Широке застосування на практиці ма автоматичне введення поправки на температуру вільних кінців термопари, що наведено на рис.1 В коло термопари ТП і мілівольтметра включено міст, одним з плечей якого є терморезистор Rt (мідний), який розміщено біля вільних кінців термопари.

Страницы: 1, 2


Новости

Быстрый поиск

Группа вКонтакте: новости

Пока нет

Новости в Twitter и Facebook

  бесплатно рефераты скачать              бесплатно рефераты скачать

Новости

бесплатно рефераты скачать

© 2010.