Системотехническое проектирование измерительных устройств. Принцип действия фотоэлектрических преобразователей

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Наименование и область применения

Назначение ИС: Измеряемая физическая величина - давление. Обеспечение возможности измерения давления с помощью потенциометрического (реостатного) преобразователя перемещения жёсткого центра мембраны преобразователя в напряжение с последующим его усилением и преобразованием в цифровую форму.

2. Основание для разработки

Задание на курсовое проектирование по курсу "Теория измерений" специальности 200101 "Приборостроение".

3. Цель разработки

Целью данной работы является практическое приложение вопросов теории измерений к задачам системо-технического проектирования измерительных устройств, а также изучение принципа действия фотоэлектрических преобразователей и приобретение практических навыков работы с ними.

4. Источники разработки

Е.С. Левшина, П.В. Новицкий: "Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи" / ЭнергоАтомИздат.

П.П. Орнатский: "Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые)" / Издание пятое, 1986 г.

5. Метрологические характеристики

Цифровой интегрирующий вольтметр с преобразованием интеграла напряжения в интервал времени (цифровой вольтметр с двухтактным интегрированием)

Основная схема цифрового вольтметра с двухтактным интегрированием представлена на рис 8.19:

Цикл измерения состоит из двух тактов. В первом такте с момента t1 до t2 цифровой автомат ЦА замыкает ключ SW1 и на вход интегратора, состоящего из усилителя, резистора R и конденсатора С, поступает напряжение Ux. Выходное напряжение интегратора.

(5.1)

В момент t1 открывается также ключ SW5 и на СТ от генератора квантующих импульсов Gm поступают импульсы частотой f0. При достижении в СТ числа No (обычно полного объема СТ) в момент t2 первый такт заканчивается. Время интегрирования Ux составит

(5.2)

В момент t2 СТ сбрасывается в нулевое состояние, а ЦА замыкает SW2. На вход интегратора подается известное по значению постоянное напряжение (/0, полярность которого противоположна полярности Ux- Выходное напряжение интегратора линейно уменьшается и в момент t3 становится равным нулю. Этот момент фиксируется устройством сравнения УС- В момент t3 заканчивается второй акт преобразования.

Баланс зарядов на конденсаторе С соответствует условию:

(5.3)

(5.4)

(5.5)

(5.6)

Это число, представляющее результат измерения, в момент t9 по команде ЦА переписывается в регистр памяти. В момент tB CT сбрасывается в нуль, ЦА возвращается в исходное положение, в котором разомкнуты SW1, SW29 SW5, aSW3 и SW4 замкнуты. Начиная с момента t3 аналоговая часть прибора и УС автоматически корректируются.

При Ux = const

Следовательно, отсчет счетчика прямо пропорционален измеряемому напряжению и зависит только от напряжения источника образцовое напряжения U0. Цифровой отсчет прибора не зависит от сопротивления R, емкости С, периода Т0, а также от напряжения U*. Необходимо, чтобы их значения были постоянны лишь в течение каждого кратковременного цикла измерения. Важными преимуществами таких приборов являются: использование одного счетчика импульсов в обоих циклах (благодаря чему снижается сложность), высокая помехоустойчивость, удобство измерения отношения двух напряжений, повышенная чувствительность.

Эта схема является одной из наиболее перспективных для создания цифровых интегрирующих вольтметров высокой точности, так как изменения параметров и элементов практически не влияют на информативный параметр выходного сигнала, К числу основных погрешностей вольтметра двухтактного интегрирования относятся: погрешности от идентичности ключей SW1 и SU72 --бвл, погрешность от нелинейности интегрирования- -б,,; погрешность, вызванная дрейфом нуля усилителя УС, погрешность из-за конечной полосы пропускания усилителя--6^; погрешность от абсорбции конденсатора и погрешность от квантования.

Погрешность от переходных сопротивлений ключей возникает из-за того, что напряжения I)\ и (J0 подаются на интегратор через ключи SWI и SW2, сопротивления которых в замкнутом состоянии конечны (не равны нулю). С учетом этого уравнение преобразования во временной интервал будет иметь вид:

где гк\ и г*?.-- сопротивления первого и второго ключей в замкнутом состоянии.

После преобразований получим:

Погрешность от нелинейности интегрирования 6Н зависит от времени интегрирования в эквивалентной постоянной времени интегратора Тит, равной

где /(у -- коэффициент усиления усилителя на постоянном токе.

Относительную погрешность от нелинейности интегрирования 6„ определяют из выражения

где Гкит -- время интегрирования в первом такте.

Поскольку прибор работает в два такта с противоположными направлениями интегрирования, суммарная погрешность от нелинейности интегрирования будег меньше и будет равна разности 6Ы в первом и втором тактах

Появление этой погрешности показано на рис. 8.20,а, где сплошной линией и пунктиром показано изменение напряжения на интеграторе в идеальном и реальном случаях.

Если Tm~Qtl с, RC = 0,i с, Кд=Ю5, а Г«-0, то 6а = = 0,0005%.

Приведенная погрешность 6д„ (для случая 0Xtl^U^

где Uар -- приведенное ко входу напряжение дрейфа усилителя.

Формула для вычисления бдр получена из анализа с учетом того, что интегрируется реально Ux + U№ и -- V0 f U^. Погрешность может быть большой, и обычно между циклами преобразования вводится такт коррекции дрейфа, в течение которого SW1 и SW2 разомкнуты. Напряжение дрейфа запоминается на конденсаторе С„. Поэтому в такте преобразования 6ДР снижается более чем па порядок.

Конечная полоса пропускания У приводит к погрешности из-за задержки начала изменения выходного напряжения интегратора относительно момента коммутации (момента появления на входе интегратора напряжения Ux или U0), рис. 8.20, б, где 1/т =/гр --граница равномерной полосы пропускания усилителя.

Данную погрешность можно скомпенсировать, если включить последовательно с емкостью С интегратора небольшое сопротивление RKt которое рассчитывается из условия:

где /,-- ток в цепи конденсатора в момент /,; Д ?/ -- напряжение на выходе интегратора, определяемое задержкой начала интегрирования. Откуда

Рис.

В цифровых вольтметрах двухтактного интегрирования необходимо устройство для определения полярности входного сигнала, обычно оно выполняется на основе компаратора, включенного на выходе интегратора. Выходной сиг нал этого компаратора используется для выбора источника образцового напряжения с полярностью, противоположной полярности Ux-

В настоящее время примерно 25 % выпускаемых цифровых вольтметров являются вольтметрами с двухтактным интегрированием. Отечественной промышленностью выпускаются несколько цифровых вольтметров двухтактного интегрирования класса 0,01...0,00! следующих типов: В2-38, ВЗ-59; Щ1612, Щ301, Щ68014, Щ4800 и др. Основные технические данные их приведены в табл. 36 (рис. 8.21,0, 6, в).

Метрологические характеристики.

Расчёт класса точности.

Класс точности является обобщённой метрологической характеристикой средств измерений (СИ) и определяется пределами допускаемых погрешностей, а также другими свойствами СИ, влияющими на точность измерений. Класс точности указывается в сопроводительной документации на СИ или на шкале отсчётного устройства в виде обозначения, соответствующего форме выражения пределов допускаемой основной погрешности по ГОСТ 8.401-80.

Исходные данные:

- верхний предел измерений.

Предпочтительное значение измеряемой величины x должно соответствовать примерно 0.75 от верхнего предела измерений:

Предел допустимых основных погрешностей термоэлектрических термометров ТХА возьмем из таблицы (ГОСТ 3044-74)

Где слагаемое 0,16 является аддитивной составляющей, а слагаемое - мультипликативной.

a=0,16

b=

Расчёт численного значения класса точности сводится к определению постоянных c и d с учётом, что 2<c/d<20, с и d найдем по формулам:

;

,

цифровой вольтметр погрешность точность

где c и d - положительные числа.

Значение для приборов переменного тока должно находиться в пределах 0.01<c<0.1.

Полученное значение с=0.02 входит в заданные пределы.

Класс точности:

Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по формуле:

Абсолютная погрешность

Определение выходного кода и его параметров

Выходной код и его параметры выбираются по ГОСТ 26.014-81 «ЕССП. Средства измерений и автоматизации. Сигналы электрические кодированные входные и выходные».

На вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с выхода аналогового канала поступает сигнал S с некоторой погрешностью ; АЦП за счёт квантования аналогового сигнала вносит дополнительную погрешность. В результате величина Z на выходе АЦП будет иметь некоторую погрешность .При аддитивном характере составляющих погрешности

и результирующая погрешность будет определяться как:

Шаг квантования (цена единицы младшего разряда кода)

Номинальное число ступеней квантования (разрешающая способность)

Вид кода: двоичный нормальный

Функция преобразования (статическая функция преобразования) - функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов.

При определении функции преобразования учитываем, что аналоговый канал представляет собой линейную цепь прямого преобразования последовательного типа.

2 Динамические характеристики -

-характеристики инерционных свойств СИ, определяющие зависимость выходного сигнала от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки

2.1 Коэффициент демпфирования в для исключения возможности резонансных явлений не должен превышать 0.8

2.2 Переходная характеристика для аналогового канала, по своим динамическим свойствам имеет вид:

где ф -постоянная времени датчика;

щ0 - собственная частота звена;

Значение выходного сигнала h(t) выбираем из условия, что оно должно отличаться от установившегося значения не больше, чем на установленное ТЗ значение ддоп=0.04.

2.3 Время установления показаний определяем по временной характеристике h(t), решая уравнение (2) относительно t:

2.3.1 Исходные данные

h(t)=0.04 - временная переходная характеристика;

ф=

Кобщ=0.00625

2.3.2 Подставляя числовые данные в уравнение (2), решаем его относительно времени установления показаний

Эксплуатационные характеристики:

климатические и механические воздействия, устанавливаются для нормальных или рабочих условий применения и предельных условий транспортирования (ГОСТ 14014-82).

Нормальные условия применения характеризуются совокупностью значений или областей значений влияющих величин, принимаемых за нормальные. Устанавливаются по ГОСТ 22261 - 82 и ГОСТ 8.395 - 80.

Рабочие условия применения - совокупность значений влияющей величины, которые не выходят за пределы рабочей области значений, нормирующих дополнительную погрешность или изменение показаний СИ. Устанавливаются по ГОСТ 22261 - 82.

6. Показатели надёжности

Показателями надёжности для разрабатываемого цифрового устройства являются безотказность, долговечность, ремонтопригодность.

В качестве характеристики безотказности установлена наработку на отказ, равная 1500 часов.

В качестве характеристики долговечности принят средний срок службы до списания, который должен быть не менее 8 лет.

Ремонтопригодность характеризуется средним временем восстановления, которое выбираем не менее 2 часов.

7. Требования безопасности

Требования по электробезопасности по ГОСТ 12.2.097-83.

Требования к основным элементам конструкции, органам управления, средствам защиты, безопасности ремонта, монтажа, хранения по ГОСТ 12.2.003-74, ГОСТ 14014-82, ГОСТ 22251-76.

Показатели помехозащищённости, средства и методы поверки: установлены по ГОСТ 1014-82.

Размещено на Allbest.ru