Цифровий вимірювач ваги

9

11

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Вінницький національний технічний університет

Інститут автоматики, електроніки та комп'ютерних систем управління

Кафедра МПА

ЦИФРОВИЙ ВИМІРЮВАЧ ВАГИ

Пояснювальна записка

з дисципліни “Аналогові та цифрові вимірювальні прилади”

до курсової роботи за спеціальністю

“Метрологія та вимірювальна техніка”

Керівник курсової роботи

к.т.н., доц. Кулаков П.І.

Розробив студент групи 1АМ-03

Призюк Я.І.

Вінниця ВНТУ 2007

1. ОБГРУНТУВАННЯ ТА РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ВИМІРЮВАЛЬНОГО ПРИЛАДУ

Для того, щоб визначитись із структурною схемою цифрового вимірювача ваги, необхідно вибрати первинний перетворювач, датчик ваги. Згідно індивідуального завдання він має бути тензорезистивного типу.

Датчик ваги - електронний пристрій, що складається із металевого корпуса з вбудованими тензорезистивними елементами, який передає електронний сигнал вторинній реєструючій апаратурі. Металевий корпус датчика знаходиться під безпосереднім впливом зовнішніх сил, які в певній мірі деформують корпус. Деформації діють на електронні компоненти, які в свою чергу передають сигнали відповідної сили, конвертовані в прийняту користувачами величину - вагу.

Виберемо тензорезистивний первинний перетворювач Мерадат К-11-Д з наступними характеристиками, що наведені в таблиці 1.

Таблиця 2.1 - Характеристики датчика Мерадат К-11-Д

Даний первинний перетворювач задовольняє умовам індивідуального завдання, оскільки він тензорезистивного типу і дозволяє вимірювати вагу від 0,1 до 100 кг.

Оскільки вихідним сигналом датчика є напруга, то для вимірювання її використаємо цифровий вольтметр послідовного наближення.

Розглянемо принцип роботи цифрового вольтметра послідовного наближення.

Суть послідовного наближення полягає у порівнянні вимірюваної U_x і компенсуючої U_k напруги, що змінюється рівномірними ступенями. Відлік результату вимірювання здійснюється в момент рівності (з заданою точністю) цих величин. Для циклічного одержання вимірювальної інформації необхідно повторювати вимірювальний цикл. На рисунку 1.1 наведено структурну схему цифрового вольтметра послідовного наближення, часові діаграми його роботи на рисунку 1.2.

Рисунок 1.1 - Структурна схема цифрового вольтметра послідовного наближення

Основними елементами приладу є компаратор ПП, RS-тригер Т, схема збігу SW, генератор опорної частоти G, двійковий лічильник ЛТ, цифро-аналоговий перетворювач ЦАП і цифровий відліковий пристрій.

Рисунок 1.2 - Часові діаграми роботи цифрового вольтметра послідовного наближення

За командою «Пуск» (момент часу t₁) тригер Т встановлюється в одиничний стан і відкриває схему збігу SW. Імпульси опорної частоти f₀ з виходу генератора G надходять на вхід двійкового лічильника ЛТ, змінюючи тим самим код на його виходах. З виходів ЛТ двійковий код надходить на входи ЦАП і перетворюється там в аналоговий сигнал U_k. Прихід кожного імпульсу f₀ від генератора G формує нову сходинку компенсуючої напруги U_k на виході цифро-аналогового перетворювача. У момент часу t₂, коли U_x = U_k, тригер Т сигналом «Стоп», який формується на виході компаратору, встановлюється в нульовий стан і закриває схему збігу SW. Таким чином, у лічильнику СТ сформується двійковий код N, що визначається співвідношенням

де h - крок квантування; п - розрядність двійкового лічильника.

Час перетворення таких вольтметрів є змінним і залежить від вимірювальної напруги, а похибка в основному визначається похибкою ЦАП і величиною зони нечутливості компаратора.

2. РОЗРАХУНОК ВХІДНИХ ТА ВИХІДНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВУЗЛІВ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

Для визначення характеристик цифрового вимірювача ваги необхідно визначити значення вихідної напруги первинного перетворювача при мінімальному значення ваги (0,1 кг) та при максимальному (100 кг) за формулою

.

де - вихідна напруга первинного перетворювача, - коефіцієнт перетворення маси в напругу давачем, - маса, вхідна величина первинного перетворювача.

Первинний перетворювач Мерадат К-11-Д має коефіцієнт перетворення , тому

.

.

Для вольтметра послідовного наближення визначимо крок квантування, за формулою

(3.2)

де - абсолютна похибка.

Значення абсолютної похибки вимірювання можна знайти за формулою

Оскільки в індивідуальному завданні нам задано значення максимальної зведеної похибки , то

.

Отже, крок квантування

.

Кількість імпульсів, що будуть підраховані лічильником, визначимо за формулою

де - вхідна напруга вольтметра.

.

Визначимо розрядність лічильника, яка дозволить підрахувати таку кількість імпульсів.

.

Отже, необхідна розрядність лічильника .

Вихідна напруга ЦАП збільшується з кожним імпульсом, що надходить на двійковий лічильник тому ЦАП теж повинен бути 8-ми розрядним.

Значення кроку квантування безпосередньо залежить від напруги живлення ЦАП:

,

де - напруга опорного джерела живлення ЦАП. Останню можна визначити за формулою

.

Отже,

.

Визначимо частоту генератора зразкових імпульсів . Для забезпечення більш точних вимірювань фізичної величини припустимо значення зразкової частоти 1000 Гц тоді час, за який прилад здійснить вимірювання:

.

3. РОЗРАХУНОК ПОХИБКИ ВИМІРЮВАННЯ

Визначимо похибку цифрового вимірювача ваги. Вважаючи , що СКВ первинного перетворювача та СКВ квантування є незалежними між собою складовими середньоквадратичне відхилення загальної похибки вимірювання буде визначатися як:

Середньоквадратичне відхилення похибки первинного вимірювального перетворювача буде визначатися за формулою:

де - абсолютна похибка ПВП. Для вибраного первинного перетворювача згідно таблиці 1.1 , тому

.

СКВ квантування цифрового вольтметра можна визначити за формулою

де - крок квантування.

.

Середньоквадратичне відхилення загальної похибки вимірювання

Загальна похибка вимірювання

де - загальна абсолютна похибка приладу.

згідно паспортних даних датчика, а абсолютну похибку квантування визначимо за формулою

Знайдемо

Знайдемо г

.

Порівнявши розраховане значення зведеної похибки із заданим класом точності приладу , робимо висновок, що розроблений цифровий вимірювач ваги задовольняє заданим умовам індивідуального завдання.

ДОДАТОК А

Структурна схема цифрового вимірювача ваги