Весоизмерительная система для приемных бункеров муки складских помещений хлебозаводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Человечество столкнулось с задачей определения веса еще на ранних стадиях своего развития, и с той поры до наших дней эта проблема остается для него актуальной. Она все еще не снята с повестки для вовсе не потому, что не имеет решения - определять вес того или иного объекта, выражае его через некие общепринятые эталоны, человек умеет давно, она актуальна прежде всего потому, что хочется знать вес с наибольшей возможной точностью и получать результат взвешивания в минимально короткое время. При этом важно решить проблему с наименьшими затратами сил и средств, требующихся для достижения результата, и представить его в форме наиболее удобной для восприятия и дальнейшей обработки. С этой целью были созданы разнообразные виды весов, позволяющие взвешивать массы в диапазонах от нескольких миллиграммов до нескольких десятков и даже сотен тонн, взвешивающие с различной скоростью и точностью, в покое или в непрерывном перемещении груза по транспортеру.

Все это разнообразие устройств и приемов взвешивания, всю широкую номенклатуру этих приборов можно разделить на несколько групп, исходя из устройства и принципа работы весов. Сегодня наиболее широко применяются весы трех основных видов: механические, электромеханические и электронные. Из них нас интересует только последний вид устройств.

1. Объект измерения

Необходимо разработать весоизмерительную систему для приемных бункеров муки складских помещений хлебозаводов.

Диапазон взвешивания от 100 до 20000 кг; относительная погрешность измерения не хуже 0,1%; длина линии связи не менее 200 м.

2. Электронные весы

Весы позволяют нам измерить массу тела, измеряя его вес, поскольку эти величины связаны между собой соотношением P=mg. В настоящее время наиболее распространенным типом становятся электронные весы.

Вес тела деформирует упругий элемент весоизмерительного датчика электронных весов, что приводит к изменению электрического сопротивления наклеенных на него тензорезисторов, обладающих свойством изменять электрическое сопротивление под влиянием деформации.

Чаще всего используются фольговые тензорезисторы из константана - сплава меди и никеля. Вторичный прибор, включающий в себя усилитель, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, обрабатывает сигнал датчика и выдает результат на цифровой индикатор. Весы подразделяются на разные типы в зависимости от вида грузоприемног устройства (например, платформенные, бункерные, монорельсовые, крюковые), способа взвешивания (статические и для взвешивания в движении), объектов взвешивания (автомобильные, вагонные, крановые, конвейерные и др.).

При взвешивании дискретных грузов - коробок, мешков, ящиков, вагонов, автомобилей и других подобных предметов - чаще всего используются платформенные весы.

Главным преимуществом электронных весов по сравнению с механическими являются не только более высокая точность, простота изготовления и монтажа, но и возможность передачи результатов взвешивания в локальную вычислительную сеть для последующей обработки и анализа. Для этого весовой микропроцессорный терминал обычно оснащается разъемом для связи с компьютером по интерфейсам RS-232 или RS-485.

Еще одно важнейшее преимущество электронных тензометрических весов перед механическими - это возможность взвешивания транспортных средств в движении.

По мере подъема производства, особенно в перерабатывающей промышленности, и автоматизации технологических процессов все чаще приходится решать задачи, связанные с взвешиванием не дискретных предметов (упаковок, кусков, блоков), а жидких и сыпучих продуктов, представляющих собой с точки зрения механики сплошные среды.

В качестве примеров можно привести процессы взвешивания молока, подсолнечного масла, патоки и нефтепродуктов на соответствующих производствах. Среди сыпучих грузов наиболее часто приходится сталкиваться с взвешиванием муки, зерна, сахара, цемента и других строительных материалов.

Основным классом весов для таких задач являются бункерные весы. Грузоподъемное устройство в них - бункер цилиндрической, пирамидальной или призматической формы, установленный или подвешенный на весоизмерительных датчиках.

Взвешивание продукта, как правило, происходит примерно равными порциями, размер которых задается настройкой весового терминала. Для подачи и выпуска продукта бункер снабжен заслонками - верхней впускной и нижней выпускной. Заслонки могут управляться пневматикой или электрическими моторами-редукторами.

После запуска весы работают в автоматическом режиме. Время цикла взвешивания может изменяться от нескольких секунд до нескольких минут и зависит от темпа подачи продукта, вместимости бункера, скорости работы заслонок. После отвеса заданной суммарной дозы весы автоматически останавливаются.

Самым типичным представителем таких весов являются элеваторные бункерные весы, использующиеся для взвешивания зерна, перекачиваемого с элеватора на мельницу.

Такое многообразие весового оборудования обусловлено потребностями различных отраслей промышленности, прежде всего пищевой, перерабатывающей, металлургической, химической, строительных материалов и других, где необходимы точный учет сырья, конечной продукции и дозирование компонентов в технологических процессах.

3. Преимущество цифровых измерительных приборов перед аналоговыми измерительными приборами

Аналоговые измерительные приборы (АИП) характеризуются тем, что их показания являются непрерывными функциями изменений измеряемых величин. Все многообразие АИП можно свести к трем структурным схемам, показанным на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурные схемы АИП

Структурная схема, приведенная на рисунке 1 (а), соответствует АИП прямого действия. В данных АИП преобразование измерительной информации осуществляется только в одном направлении от входа к выходу. Измеряемая величина x с помощью измерительного преобразователя ИП преобразуется в напряжение или ток, который воздействует на электромеханический измерительный механизм ИМ, взывая перемещение его подвижной части и связанного с ней указателя отсчетного устройства ОУ. Отсчетное устройство содержит оцифрованную шкалу, с помощью которой оператор On получает количественный результат измерения. Градуировка шкалы прибора производится путем подачи на его вход ряда известных значений измеряемой величины, реализуемых многозначной образцовой мерой М. Таким образом, сравнение измеряемой величины с единицей измерения в данном случае осуществляется косвенно, а мера М в процессе измерения непосредственного участия не принимает.

На рисунке 1 (б) изображена структура АИП сравнения. Эти приборы предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Устройство сравнения УС сравнивает значения преобразованной с помощью ИП измеряемой величины и образцовой величины, реализуемой регулируемой мерой М. Оператор On с помощью индикатора И оценивает результат сравнения и регулирующее значение величины, воспроизводимой мерой М, до достижения равенства величин на входах УС. Значение величины, воспроизводимой мерой М, отображается отсчетным устройством ОУ, которое может быть отградуировано в единицах измеряемой величины.

При отсутствии ИП на входе АИП осуществляется непосредственное сравнение измеряемой величины с физически однородной ей величиной, воспроизводимой мерой.

Обобщенная структура автоматического АИП сравнения приведена на рисунке 1 (в). Принцип действия аналогичен описанному выше, но мера М регулируется автоматически с помощью устройства управления УУ.

Цифровые измерительные приборы (ЦИП) осуществляют автоматическое преобразование входной измеряемой величины в код. Показания ЦИП представлены в цифровой форме. В отличие от АИП в ЦИП обязательно выполняются операции квантования измеряемой величины по уровню, дискретизации ёё по времени и кодирование (рисунок 2).

Рисунок 2. Обобщенная структурная схема ЦИП

Измеряемая аналоговая величина x(t) поступает на унифицирующий измерительный преобразователь (УИП), содержащий делители, усилители, выпрямители, фильтры, преобразователи линеаризации и т.п. Нормализованный аналоговый сигнал y(t) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который выполняет операции квантования по уровню и по времени x(t), сравнения x(t) с мерой M и кодирование результатов. При этом на выходе формируется дискретный сигнал ДС, который преобразуется в цифровом средстве отображения информации (ЦСОП) в цифровой отсчет N или в виде кода передается на ЭВМ. Устройство управления (УУ) реализует необходимый алгоритм измерения.

Преимуществами ЦИП перед АИП являются:

1. удобство и объективность отсчета;

2. высокая точность результатов измерения, практически недостижимая для АИП;

3. широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности;

4. высокое быстродействие за счет отсутствия подвижных электромеханических элементов;

5. возможность автоматизации процесса измерения, включая такие операции, как автоматический выбор полярности и пределов измерения;

6. высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям, помехозащищенность;

7. возможность использования новейших достижений микроэлектронной технологии при конструировании и изготовлении;

8. возможность сочетания с вычислительными и другими автоматическими устройствами.

4. Описание первичного преобразователя

цифровой измерительный датчик тензометрический

Первичные приборы, датчики или первичные преобразователи предназначены для непосредственного преобразования измеряемой величины в другую величину, удобную для измерения или использования. Выходными сигналами первичных приборов, датчиков являются как правило унифицированные стандартизованные сигналы, в противном случае используются нормирующие преобразователи (рис. 3).

Рисунок 3. Основные структурные схемы подключения первичных преобразователей

Нормирующий преобразователь НП выполняет следующие функции: преобразует нестандартный неунифицированный сигнал (например, mV, Ом) в стандартный унифицированный выходной сигнал; осуществляет фильтрацию входного сигнала; осуществляет линеаризацию статической характеристики датчика; применительно к термопаре, осуществляет температурную компенсацию холодного спая.

Нормирующий преобразователь НП применяется, также в следующих случаях: когда необходимо подать сигнал измеряемой величины на несколько измерительных или регулирующих приборов; а также когда необходимо передать сигнал на большие расстояния.

Тензометрический датчик - это основной измерительный элемент, используемый в электронных весах и весоимерительных системах. Принцип действия тензодатчика основан на преобразовании механической деформации, возникающей при нагрузке датчика, в электрический сигнал. Затем тензодатчик передает полученный электронный сигнал на индикационный прибор, отображающий полученный результат в цифровом виде.

По сравнению с механическими весами, тензометрическое оборудования обладает следующими преимуществами:

1. более высокая точность измерений;

2. весовые системы на тензодатчиках имеют меньшие размеры;

3. расширенные функциональные возможности;

4. удобство эксплуатации;

5. автоматизация процесса взвешивания на каждом этапе.

5. Аналоговые и цифровые тензометрические датчики

При проектировании промышленных весов важным является правильный выбор датчиков веса (ДВ) и весоизмерительного прибора (ВП), которые в большей степени соответствуют поставленной задаче.

Основные вопросы, возникающие при проектировании:

1. Надежность,

2. Диагностика отказов,

3. Помехозащищенность,

4. Частотные свойства измерительного канала (количество измерений в секунду),

5. Максимально допустимая длина кабеля между ДВ и ВП,

6. Взаимозаменяемость элементов от разных производителей,

7. Синхронизация разделенных измерительных каналов (одновременность измерений),

8. Себестоимость (как правило интегральная - суммарные затраты как на изделие, так и затраты на его эксплуатацию).

Естественно, что специфика применения промышленных весов делает, что-то, из перечисленного более, а что-то менее важным.

Тензометрический датчик с аналоговым выходом представляет собой металлическое тело с наклеенными тензорезисторами. Деформация тела, под действием силы тяготения, приводит к изменению сопротивлений R1, R2, R3, R4. Дисбаланс плечей моста изменяет выходное напряжение Uc, которое пропорционально деформации / нагрузке по приведенной ниже формуле на рисунке 4.

Рисунок 4. Тензометрический датчик с аналоговым выходом

Питание датчика осуществляют либо постоянным, либо переменным напряжением. Уровень ошибок измерения при питании переменным током несколько ниже, чем при питании постоянным. Тем не менее, наибольшее распространение получило питание постоянным током, так как это проще и дешевле. Со временем это ситуация может измениться, так как развитие микроэлектроники делает недорогим и доступным применение специализированных микросхем, в том числе и аналогово-цифровых преобразователей с встроенными источниками переменного тока. В промышленных весах обычно применяют несколько датчиков (от трех и более). Если применяют аналоговые датчики, то сигналы датчиков суммируют в соединительном коробе (СК).

Кроме аналогового суммирования сигналов используют так же мультиплексирование сигналов ДВ, при этом датчики веса подключаются к весоизмерительному прибору поочередно через мультиплексор. Это обеспечивает определенное удобство в настройке, калибровке, диагностировании загрузки каждого датчика, но при этом нарушается одновременность измерений, что не всегда приемлемо при измерении быстро изменяющихся нагрузках (например, дозирование или взвешивание в движении).

Допустимое количество, подключаемых к прибору датчиков зависит от суммарного сопротивления, подключенных к СК датчиков и нагрузочными характеристиками прибора. Например, если к прибору можно подключать до 8 датчиков с сопротивлением 350 Ом, то минимально допустимое сопротивление нагрузки на ВП составляет 350/8 = 43,75 Ом. Если к этому же ВП подключаются 7 00 Ом датчики, то их количество не должно превышать 16, если 1000 Ом, то 22 и т.д. Обычно, этого количества вполне достаточно при построении любых промышленных весов.

Максимально допустимая длина кабеля от СК до ВП зависит от его сечения. При сечения проводника 2 ммІ длина кабеля между СК и ВП может быть до 1000 м.

При длине кабеля между СК и ВП свыше 30 м рекомендуется применять 6-ти проводную схему подключения, для компенсации падения напряжения на соединительном кабеле.

Суммарный или мультиплексированный сигнал обрабатывается в ВП по схеме представленной на рисунке 5.

Тензометрический датчик с цифровым выходом это аналоговый датчик в корпус которого, кроме тензорезисторов помещена электронная схема усиления, фильтрации и оцифровки аналогового сигнала с последующей его передачей на принимающее устройство (рисунок 5).

Рисунок 5. Тензометрический датчик с цифровым выходом

Передача цифрового сигнала производится по последовательному интерфейсу, обычно на физическом уровне это RS-4 85 (витая пара).

Часто применяют контроллеры шины передачи данных по протоколу CAN, ProfiBUS, BitBUS и прочее.

Основные преимущества цифровых датчиков - прямое диагностирование и упрощение процедуры калибровки.

Цифровые датчики подключаются к общей шине весового индикатора, который является «мастером шины» и устройством визуализации результатов измерения. Количество цифровых датчиков подключенных к одному мастеру не может превышать его адресного пространства.

Длина кабеля от СК до индикатора зависит от скорости передачи данных по шине. При скорости передачи в 300 Кбит/сек, длина кабеля не должна превышать 300 м.

С учетом реальных ограничений на скорость передачи данных по шине, скорость АЦП не может превышать 2 0 Гц, что бывает недостаточно при измерении быстро меняющихся нагрузок. Это ограничивает применение цифровых датчиков в устройствах дозирования и в весах для взвешивания в движении.

Отдельной проблемой применения цифровых датчиков является проблема одновременности измерения нагрузок на ДВ (синхронизация). Применяемые механизмы синхронизации еще более ухудшают частотные свойства измерительного канала.

Рекламируемая в проспектах производителей цифровых датчиков веса высокая помехозащищенность, не столь хороша. Помеха ухудшает работу шины, так как приводит к потере посылаемых устройствами «пакетов информации», повторный запрос и посылка занимают определенное время и могут привести к сбою механизма синхронизации.

Поэтому рекомендуется использовать цифровые датчики в весах для статического взвешивания, или при измерении медленно меняющихся нагрузок.

Сравнение аналоговых и цифровых датчиков веса приведено в таблице 1.

Таблица 1.

Параметр	Аналоговый датчик	Цифровой датчик
Надежность	Зависит от класса промышленной защиты ДВ. Надежность сопоставима с надежностью цифровых ДВ, но несколько выше	Зависит от класса промышленной защиты ДВ. Надежность сопоставима с надежностью аналоговых ДВ, но ниже, из-за дополнительного электронного блока.
Диагностика каждого ДВ	Диагностика возможна при мультиплексировании сигналов ДВ.	Естественный механизм диагностики ДВ
Помехозащищенность	Сопоставима с цифровыми ДВ при использовании экранированного кабеля	Сопоставима с аналоговыми ДВ
Взаимозаменяемость ВП и ДВ разных производителей	Высокая. Стандартизованные ВП и ДВ разных производителей.	Отсутствует. Замена на другого производителя невозможна.
Синхронизация сигналов ДВ	Естественная синхронизация	Низкая. При помехах возможно нарушение синхронизации.
Стоимость	Низкая	Высокая

Вывод: Цифровые ДВ целесообразно использовать для статических весов. Аналоговые ДВ ограничений по использованию не имеют.

6. Описание измерительной цепи

Измерительная цепь представляет собой функционально-структурную схему, отображающую методы и технические средства реализации требуемой функции преобразования прибора. Измерительная цепь включает все элементы прибора от входа до устройства воспроизведения (указатель, регистратор и др.).

Преобразование измеряемого сигнала в требуемый выходной сигнал в измерительной цепи может осуществляться одним или несколькими элементами - измерительными преобразователями.

Измерительный преобразователь, выходной сигнал которого предназначен для наблюдения, имеет специальное название - измерительный прибор.

Так как сигнал, предназначенный для наблюдения, является выходным сигналом измерительной цепи, то измерительный прибор всегда бывает последним преобразователем этой цепи.

Простая измерительная цепь состоит из одного измерительного прибора (рисунок 6).



Рисунок 6. Простая измерительная цепь

Если для измерения каждого технологического параметра использовать простую измерительную цепь, состоящую из одного измерительного прибора, то потребуется очень много разновидностей подобных приборов. Чтобы избежать этого, применяют сложную измерительную цепь.

В сложной измерительной цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных измерительных преобразователей, первый называется первичным преобразователем или датчиком. Входной сигнал первичного преобразователя является входным сигналом всей цепи, т.е. измеряемым сигналом.

Если сложная измерительная цепь включает помимо первичного преобразователя и измерительного прибора другие измерительные преобразователи, то их называют промежуточными. Все сигналы сложной измерительной цепи за исключением входного и выходного, также являются промежуточными. Схема сложной измерительной цепи, состоящей из первичного преобразователя, промежуточного преобразователя и измерительного прибора (рисунок 7).

Рисунок 7. Сложная измерительная цепь

Первичный преобразователь находится в контакте с измеряемой средой и часто подвергается воздействию высоких температур и давлений, вибрации, влажности и т.п. Поэтому для измерения даже однотипных параметров выпускают различные первичные преобразователи, отличающиеся условиями эксплуатации. Иногда непосредственный контакт первичного преобразователя с измеряемой средой вообще недопустим (например, при измерении высоких температур или уровня в сосудах высокого давления). В таких случаях применяют неконтактные первичные преобразователи, не соприкасающиеся с измеряемой средой.

Вид промежуточного сигнала определяется, с одной стороны, принципом действия и конструкцией первичного преобразователя, а с другой - удобством передачи сигнала на расстояние и дальнейшего его преобразования. Часто эти требования оказываются противоречивыми: стремление получить простую и надежную конструкцию первичного преобразователя идет вразрез с требованием удобства дистанционной передачи промежуточного сигнала по каналу связи к измерительному прибору. Так, многие промышленные первичные преобразователи имеют неудобный для дистанционной передачи выходной сигнал в виде силы или перемещения.

Такие выходные сигналы могут быть измерены лишь при непосредственной механической связи измерительного прибора с первичным преобразователем. Для этого измерительный прибор должен быть расположен рядом с первичным преобразователем или даже объединен с ним в один блок.

В сложной измерительной цепи входным сигналом измерительного прибора является уже не измеряемый, а промежуточный сигнал. В промышленности используют ограниченное число промежуточных сигналов, что позволяет существенно уменьшить номенклатуру измерительных приборов - наиболее сложных и дорогих элементов измерительной цепи.

Выходные сигналы промежуточных преобразователей, как правило, бывают электрические или пневматические. Такие сигналы наиболее удобны для дистанционной передачи.

Если первичный преобразователь имеет электрический выходной сигнал, то для упрощения измерительной цепи его обычно не преобразуют в унифицированный. Для измерения таких неунифицированных электрических сигналов применяют специальные измерительные приборы.

Итак, в сложной измерительной цепи обычно применяют три способа связи первичного преобразователя с последним измерительным преобразователем:

1. прямая механическая связь посредством неэлектрического сигнала - силы или перемещения;

2. дистанционная связь посредством электрического неунифицированного сигнала (сопротивление терморезистора, э. д. с термопары и т.п.);

3. дистанционная связь через промежуточный преобразователь посредством унифицированного сигнала ГСП.

7. Структурная схема

Структурная схема - это совокупность элементарных звеньев объекта и связей между ними, один из видов графической модели. Под элементарным звеном понимают часть объекта, системы управления и т.д., которая реализует элементарную функцию.

Разрабатываемые цифровые тензометрические весы состоят из двух основных частей: грузоприемной платформы с тензодатчиками и микропроцессорного устройства (МПУ). В качестве тензодатчиков могут быть использованы как серийно выпускаемые датчики класса точности 0.05..0.15, так и специально разработанные датчики, например, удобные для применения в малогабаритных бытовых весах. Обобщенная схема цифровых тензометрических весов представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Структурная схема цифровых тензометрических весов

МПУ используется для усиления сигналов датчиков, преобразования в цифровой код, опроса измерительных каналов, обработки результатов измерений. МПУ позволяет опрашивать до 7 измерительных каналов, проводить линеаризацию градуировочных характеристик датчиков и суммирование результатов нескольких измерений. Характеристики МПУ совместимы с выпускаемыми промышленностью тензодатчиками. Эксплуатационные возможности цифровых тензометрических весов значительно расширяются c объединением с персональным компьютером. Это позволит, например, вести непрерывное слежение за изменением массы в течение длительного периода времени в тех или иных процессах, с регистрацией в заданные моменты времени. Получаемые данные предоставляется отображать в виде графиков или таблиц изменения массы.

Микропроцессорное устройство (МПУ), представленное на рис., состоит из следующих основных блоков: усилитель аналогового сигнала, АЦП, схемы дешифрации, микропроцессора, блока регистров. Усилитель используется для усиления низковольтного сигнала от датчика до уровня сигнала, который может преобразовать АЦП. АЦП дискретизирует выходные сигналы датчиков силы.

После подачи напряжения питания на схему, происходит инициализация микропроцессора, проверяется работоспособность всех устройств, входящих в МПУ. Обращение микропроцессора к АЦП производится путем посылки адреса аналогового канала. После этого начинается преобразование аналогового сигнала в дискретный сигнал. Во время преобразования микропроцессор находится в режиме ожидания конца преобразования. После появления сигнала от АЦП, подтверждающего окончание преобразования, данные считываются во внутренние регистры микропроцессора. Далее микропроцессор производит обработку данных: линеаризацию, учитывает температурную погрешность, переводит значение напряжения в значение массы, которое затем в двоичнодесятичном виде передается в блок регистров, из которых, затем выводится полученное значение на семи сегментные индикаторы.

8. Функциональная схема

Работа каждой технической системы характеризуется некоторыми физическими показателями. При решении конкретных производственных задач часто возникает необходимость изменять значение этих параметров, регулировать их. Этой цели в сложных системах служат системы автоматического управления. Для создания автоматического регулирования параметров проводится анализ, завершающийся составлением функциональной схемы устройства.

Функциональная схема - это схематическое изображение некоторого устройства, состоящего из основных элементов и соединяющих их проводников, а также из входов и выходов, на которые подаётся и с которых снимается электрический сигнал.

Определим основные функциональные элементы электронных весов.

Весоизмерительный датчик - преобразователь силы, измеряющий массу методом преобразования измеряемой величины (массы) в другую измеряемую величину (выходной сигнал) с учетом влияния силы тяжести и выталкивающей силы воздуха, действующих на взвешиваемый объект.

Индикатор - электронное устройство весов, которое представляет результат взвешивания в единицах массы и может выполнять аналого-цифровое преобразование выходного сигнала весоизмерительного датчика и дальнейшую обработку данных.

Устройство обработки аналоговых данных - электронное устройство весов, которое выполняет аналого-цифровое преобразование выходного сигнала весоизмерительного датчика, дальнейшую обработку данных и выдает результат взвешивания в цифровой форме через цифровой интерфейс, не отображая его.

Устройство обработки цифровых данных - электронное устройство весов, которое выполняет обработку цифровых данных и передает результат взвешивания в цифровой форме через цифровой интерфейс, не отображая его.

Терминал - цифровое устройство, которое имеет одну или более клавишу для управления весами и дисплей для отображения результата взвешивания, переданного через цифровой интерфейс взвешивающего модуля или устройства обработки аналоговых данных.

Цифровой дисплей - цифровое устройство, которое служит для визуального отображения информации в виде набора чисел, букв, знаков.

1. первичный дисплей (primary display): Любой дисплей, встроенный в корпус индикатора или терминала или выполненный в отдельном корпусе (т.е. терминал без клавиш), например, для использования совместно со взвешивающим модулем;

2. вторичный дисплей (secondary display): Дополнительное периферийное устройство (необязательное), которое повторяет результат взвешивания и любое другое первичное показание или отражает иную, не метрологическую информацию.

Взвешивающий модуль - устройство, являющееся частью весов и включающее в себя все механические и электронные устройства (грузоприемное и грузопередающее устройства, весоизмерительный датчик, устройство обработки аналоговых данных или устройство обработки цифровых данных), кроме устройства для отображения результата взвешивания.

Следующим этапом в составлении функциональной схемы будет определение принципа работы устройства.

Принцип работы тензометрических весов заключается в преобразовании нагрузки на датчики в электрический сигнал, пропорциональный нагрузке. Полученный сигнал измеряется, преобразуется в цифровой вид и выводится на дисплей тензоконтроллера и монитор персонального компьютера с одновременным сохранением в базе данных.

На третьем этапе составления функциональной схемы необходимо определить, что является объектом регулирования (ОР), регулируемой величиной, возмущающим и управляющим воздействиями в рассматриваемой системе. В данном случае объектом является взвешивающий модуль.

Четвертый этап - нахождение функционального блока, служащего исполнительным устройством. В рассматриваемом примере это терминал.

Далее определяем, что в системе играет роль датчика. Датчиком у нас служит тензорезистор.

На последнем этапе сводим все блоки в единую функциональную схему (рисунок 9).



Рисунок 9. Функциональная блок-схема весов

1 - электрические и механические элементы связи;

2 - аналоговый весоизмерительный датчик;

3 - аналогоцифровой преобразователь (ADC);

4 - преобразователь информации (определение массы);

5 - последующий преобразователь (например, тарирование, вычисление стоимости);

6 - клавиша (клавиши) или клавиатура оператора;

7 - первичный дисплей.

9. Принцип действия блоков схемы

Первичный преобразователь

В роли первичного преобразователя выступает тензорезисторный мост. Исходя из количества тензодатчиков и максимальной массы взвешиваемого вагона выбираем тензодатчики типа ДСТВ -1, рассчитанные на 20 тонн.

Система с такими тензодатчиками может взвешивать вагоны, массой до . При этом существует запас на 60 тонн. Этот запас необходим, т.к. возможно, что вес не будет равномерно распределен между контрольными точками (датчиками). К тому же взвешиваемый вес будет включаться и вес платформ.

Здесь учитывается, также то, что при торможении поезда на платформу действует дополнительное усилие. Т.к. данные тензодатчики способны выдерживать дополнительную нагрузку на 50% от номинальной, то

,

что позволяет выдерживать общую нагрузку

, т.е. более чем в 2 раза.

Основные параметры тензодатчиков ДСТВ - 1 представлены в таблице 2.

Таблица 2

Параметр	Значение
Номинальная нагрузка
Нижний предел измерения
Значение рабочего коэффициента передачи (РКП) при номинальной нагрузке
Значение начального коэффициента передачи (НКП) не более
Категория точности	0.1
Входное сопротивление
Выходное сопротивление
Наибольшее допустимое значение напряжения питания постоянного или переменного тока с частотой до 1.5 кГц
Допустимое значение перегрузки, процентов выше номинальной нагрузки кратковременной длительной	100% 50%
Предельный диапазон рабочих температур	-30С…. +50С
Габариты, (мм)	155 х 155 х 230



Рисунок 10. Внешний вид и устройство тензодатчиков ДСТВ - 1

На рисунке 10 изображен чертеж тензодатчиков ДСТВ - 1.

Здесь 1 - это концентрическая упругая поверхность, чья деформация преобразуется с помощью тензорезисторов в электрический сигнал; 2 - корпус первичного преобразователя, служащий для защиты устройства от попадания внутрь твердых веществ и воды; 3 - трубка, защищающая соединительные провода.

При оказывании давления на концентрическую поверхность (1), она деформируется. На эту поверхность с внутренней стороны нанесены тензорезисторы. Причем тензорезисторы включены по схеме моста (рис. 11). К тензорезисторам подводится напряжение , при этом, при условии максимальной нагрузки в на выходе моста будет напряжение, пропорциональное максимальной нагрузке .

Рисунок 11. Тензорезисторный мост

Расчет первичного преобразователя

Выбираем напряжение питания .

При этом, следуя формуле чувствительности тензодатчика .

Это означает, что при номинальной нагрузке на выходе первичного преобразователя будет .

Необходимо, чтобы ошибка составляла 0.1%. Для получения такой точности вычислим минимальный шаг квантования:

Нормирующий преобразователь

Учитывая выходные параметры первичного преобразователя, выбираем усилительный элемент.

Т.к. полезный сигнал будет поступать с большим синфазным сигналом, приблизительно равным напряжению питания тензорезисторного моста , то необходимо, чтобы усилитель имел очень высокий уровень подавления синфазного сигнала.

Это соответствует .

Значит, необходимо выбрать такой усилительный элемент, который обеспечивает ослабление синфазного сигнала минимум в .

Коэффициент усиления должен быть таким, чтобы максимальный уровень полезного сигнала усиливался до опорного напряжения АЦП, что соответствовало бы максимальному коду. Опорное напряжение выбираем стандартное . Тогда



Тогда выбираем т.н. инструментальный операционный усилитель фирмы BURR BROWN INA128.

В инструментальных усилителях коэффициент усиления задается с помощью подключения внешнего сопротивления R_G, значение которого высчитывается для INA128 по следующей формуле

, где

Тогда , выбираем стандартное сопротивление .

Полученный коэффициент усиления будет равен

.

Такое значение допускается, т.к. первичный преобразователь выбирался с запасом, т.е. уровень полезного сигнала на выходе тензорезисторного моста не будет достигать своего максимального значения

.

Это соответствует нагрузке на все 8 датчиков

.

При этом остается запас .

Рисунок 12. Внутренняя структура инструментального усилителя INA128

Аналого-цифровой преобразователь

Нам необходимо взвешивать груз с максимальной весом . При этом необходимо производить измерение с погрешностью 0.1%, что соответствует

.

Здесь - пересчетное значение младшего значащего разряда - шаг квантования. Для того, чтобы покрыть весь диапазон с шагом, равным минимальному шагу квантования необходимо сделать шагов.

Это соответствует . Значит, сигнал необходимо оцифровывать с разрядностью 10. Это минимальное значение разрядности АЦП. В реальных условиях необходимо иметь запас. Поэтому выбираем разрядность АЦП - 12.

Частота дискретизации может быть любой, т.к. процесс измерения происходит в статике.

Выбираем АЦП фирмы BURR BROWN ADS7820 (рисунок 13).

Передача информации осуществляется в параллельном коде в микроконтроллер по управляющему сигналу с МК. Затем МК мультиплексирует входные сигналы и процесс повторяется.

После обработки всех линий, МК анализирует полученные данные. Причем в это время АЦП не выбран. Это означает, что его выходы находятся в высоко импедансном состоянии и при необходимости могут обслуживать другое устройство.

Рисунок 13. Схема включения АЦП ADS7820

Рисунок 14. Внутренняя структура АЦП

Для настройки данного АЦП на работу необходимо на выход BYTE подать сигнал низкого уровня. При этом на D0… D11 будет поступать код, соответствующий входному аналоговому преобразующему сигналу.

R/C - Чтение / Преобразование. При перепаде из ноля в единицу (положительном фронте) на этом входе разрешается считывание кода с параллельного порта. При перепаде из единицы в ноль (отрицательном фронте) запуск преобразования аналогового сигнала в код.

CS - Выбор кристалла. При логическом нуле на этом входе происходит активация АЦП. Вместе с R/C - запускает преобразование. При логической единице на этом входе происходит перевод всех линий параллельного порта в высокоимпедансное состояние.

BUSY - При запуске преобразования на этом выходе устанавливается логический ноль. Сброс нуля происходит, когда преобразование закончится.

Предлагается подвести от вывода R/C АЦП линию к выводу INT0 и INT1 микроконтроллера через логическую схему.

Выбор мультиплексора

Необходимо работать сразу с восемью аналоговыми сигналами. Для того чтобы можно было оцифровывать все 8 сигналов одним АЦП необходимо использовать аналоговый мультиплексор. Необходимо, чтобы он мог пропускать напряжение до 2V.

Выбор канала должен осуществляться с помощью трех управляющих выводов, задающих номер канала. Этим будет заниматься микроконтроллер.

Выбираем мультиплексор фирмы BURR BROWN MPC508A (рисунок 15).



Рисунок 15. Внутренняя структура мультиплексора

Рисунок 16. Вариант схемы включения мультиплексор MPC508A

Выбор микроконтроллера

Одним из самых распространенных микроконтроллеров на сегодняшний день является МК семейства MCS-8051, первоначально разработанные фирмой INTEL.

INTEL MCS-8051 предназначен для построения контроллеров и микро-ЭВМ различного назначения, отличающихся низкими аппаратными затратами при сохранении универсальности и быстродействия. Область применения MCS-8051 - от локальных систем автоматики до устройств управления бытовыми приборами.

Основными программно-доступными устройствами MCS-8051 являются:

1) 8-разрядный аккумулятор а;

2) 8-разрядный вспомогательный регистр в;

3) триггеры признаков результата: C (переноса), AC (вспомогательного переноса), OV (переполнения), P (четности);

4) триггеры выбора банка рабочих регистров RS0 и RS1;

5) триггер программно-управляемого флага F0;

6) 16-разрядный счетчик команд PC;

7) 16-разрядный регистр указателя данных DPTR;

8) 8-разрядный регистр указателя стека SP;

9) внутренняя память программ емкостью 4 кбайт, расширяемая внешними устройствами до 64 кбайт;

10) внутренняя память данных емкостью 128 байт, в которой размещается от одного до четырех банков рабочих регистров R0-R7, область стека и побитово адресуемая область памяти;

11) внешняя память данных емкостью до 64 кбайт;

12) два программируемых 16-разрядных таймера-счетчика;

13) программируемый двунаправленный последовательный порт ввода-вывода и соответствующие устройства управления;

14) четыре 8-разрядных двунаправленных параллельных порта ввода-вывода;

15) двухуровневая приоритетная система прерываний.

Предлагается использовать микроконтроллер MCS-8051 следующим образом:

Порт Р0 и Р2 будут работать с данными, поступающими с АЦП.

Порт Р1 будет настраивать мультиплексор и АЦП.

Калибровка системы будет производиться по сигналу с компьютера.

Калибровка, также, будет осуществляться по прерыванию INT0.

С помощью RxD и TxD будет осуществляться связь с компьютером.



Рисунок 17. Внутренняя структура микроконтроллера INTEL MCS-8051



Рисунок 18. Микроконтроллер INTEL MCS-8051

Передача информации через последовательный порт

Главная функция устройства RS232A - согласование напряжения между устройствами. Дело в том, что напряжения логической единицы и нуля для микроконтроллера и компьютерного COM - порта различаются по уровням и полярности напряжений.

Таблица 3. Уровень напряжения для логического нуля и логической единицы

Логический Уровень	Уровень напряжения для МК	Уровень напряжения для COM
0	0… 0.4	+12V
1	4.75… 5.25	12V

Напряжение питания для RS232A - 5V.

Напряжение питания преобразовывается до уровня 12V. Затем в зависимости от того, какой логический уровень пришел на вход драйвера, ключи подключают к выходу напряжение необходимой полярности в соответствии с таблицей 3. Также, драйвер RS232A выполняет некоторые дополнительные функции - защита от статического электричества, гальваническая развязка и т.д. (рисунок 19).

Следуя руководству по эксплуатации данного драйвера необходимо, чтобы номиналы всех конденсаторов С1 С4 были равны. Причем для RS232A С1 С4 равно 0.1 F.

Конденсатор Сst выбираем 10 F. Он служит для сглаживания случайных скачков напряжения питания RS232A.

Рисунок 19. Электрическая принципиальная схема передачи информации от микроконтроллера в последовательный порт компьютера посредством комплексного преобразования напряжений с помощью драйвера последовательного интерфейса RS232A

Выбор источника питания

Предлагаемый блок питания позволяет получать выходное стабилизированное напряжение от 1 В почти до значения выпрямительного напряжения с вторичной обмотки трансформатора (рис. 20). На транзисторе VT1 собран узел сравнения: с движка переменного резистора R3 на базу подается часть образцового напряжения (задается источником образцового напряжения VD5VD6HL1R1), а на эмиттер - выходное напряжение с делителя R14R15. Сигнал рассогласования поступает на усилитель тока, выполненный на транзисторе VT2, который управляет регулирующим транзистором VT4.

При замыкании на выходе блока питания или чрезмерном токе нагрузки увеличивается падение напряжения на резисторе R8. Транзистор VT3 открывается и шунтирует базовую цепь транзистора VT2, ограничивая тем самым ток нагрузки. Светодиод HL2 сигнализирует о включении защиты от перегрузки по току.

В случае замыкания включение режима ограничения тока происходит не мгновенно. Дроссель L1 препятствует быстрому нарастанию тока через VT4, а диод VD7 уменьшает бросок напряжения при случайном отключении нагрузки от блока питания.

Для регулирования тока срабатывания защиты в разрыв цепи между резисторами R7 и R9 необходимо включить переменный резистор сопротивлением 250 Ом, а его движок подключить к базе транзистора VT3. Значение тока можно регулировать в пределах от 400 мА до 1.9 А.

В источнике питания применим любой трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 9 до 40 В. Однако при малом значении напряжения сопротивление резисторов R1, R2, R9, R13-R14 следует уменьшить примерно в два раза и подобрать стабилитроны VD5, VD6 так, чтобы напряжение на резисторе R1 было примерно равно половине напряжения на конденсаторе C2.

Дроссель L1 содержит 120 витков провода ПЭЛ 0.6 мм, намотанных на оправке диаметром 8 мм. Транзистор КТ209М (VT1) заменим на КТ502 с любым буквенным индексов, КТ208 (Ж-М), КТ209 (Ж-М), КТ3107 (А, Б). Вместо транзистора КТ815Г (VT2) можно применить любой серии КТ817 или другой аналогичной структуры с допустимым напряжением коллектор-эмиттер не менее напряжения питания. Транзистор VT4 - КТ803А, КТ808А, КТ809А, серий КТ812, КТ819, КТ828, КТ829 или любой мощный с допустимым током коллектора не менее 5 А и допустимым напряжением коллектор-эмиттер больше напряжения питания. Транзисторы VT2 и VT4 необходимо разместить на теплоотводах. Диоды VD1-VD4 - любые выпрямительные с допустимым прямым током больше 5 А и обратным напряжением не менее напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Светодиоды можно применить любого типа.

Узел ограничения тока лучше видоизменить. Для этого следует исключить резистор R7, а резистор R8 поставить переменный. Его сопротивление выбирают таким, чтобы при минимальном токе ограничения падение напряжения на нем составляло около 0.6 В. Рабочий ток резистора должен быть не менее максимального тока ограничения Imax, поэтому его мощность P следует определить по формуле: P=I2max*R8. Например, для интервала тока ограничения 0.2…2 А сопротивление переменного резистора должно быть 3 Ом, а мощность -12 В.

Рисунок 20. Стабилизированный блок питания

Данный блок питания собран из доступных элементов. Он почти не требует налаживания, работает в широком интервале подводимого переменного напряжения, снабжен защитой от перегрузки по току.

10. Понятия и расчет надежности проектируемого устройства

Понятие надежности радиоэлектронной аппаратуры

Надежность является важнейшим показателем качества электротехнической аппаратуры (ЭТА). Безотказное функционирование ЭТА в течение определенного интервала времени в одних случаях определяет успешность выполнения задачи, в других - качество работы, готовность к выполнению задач, экономические затраты.

Надежность - способность устройства выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность - сложное свойство ЭТА, которое в зависимости от назначения объекта, условий его применения состоит из сочетания свойств - безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости (ГОСТ 27002-83).

Безотказность - есть свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Наработка - это продолжительность или объем работы объекта.

Работоспособное состояние объекта такое, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации. Противоположное ему неработоспособное состояние - это то, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической документации. Случайное событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния с переходом в неработоспособное, есть отказ.

Обратный переход (возврат) к работоспособному состоянию есть восстановление.

Долговечность - это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Предельное состояние - это состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению не допустимо или нецелесообразно либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно.

Как следует из определения, достижение предельного состояния может происходить в условиях, когда допустимо, выполняя ремонт, вернуть изделие в работоспособное состояния и продлить его срок службы. Тогда достижение предельного состояния еще не определяет долговечность.

Сохраняемость - это свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования.

Ремонтопригодность - это свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем проведения технического обслуживания и ремонтов.

Техническое обслуживание есть комплекс операций по поддержанию работоспособности (или исправности) изделия при использовании по назначению в течение срока службы ЭТА, ожидании, хранении и транспортировании.

Под ожиданием понимается нахождение ЭТА в состоянии готовности к использованию по назначению.

Под транспортированием - перемещение (не «своим'' ходом) от места погрузки до момента выгрузки.

Под хранением - пребывание ЭТА в нерабочем состоянии в приспособленных для этого помещениях. Ремонт - это комплекс операций по восстановлению работоспособности (исправности) и восстановлению ресурса изделия.

По мере развития ЭТА роль надежности как оценки качества аппаратуры возрастает, так как усложняются выполняемые аппаратурой функции, увеличивается количество элементов. Это усложнение приводит к возрастанию количества отказов и времени восстановления.

Надежность ЭТА - понятие комплексное. Оно определяется принципом действия, схемой, конструкцией, технологией изготовления и условиями эксплуатации, а также надежностью элементной базы.

Показатели надежности ЭТА

Показатель надежности - это количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта. Различают единичные показатели, когда характеризуется одно из свойств и комплексные показатели, характеризующие совместно несколько свойств, составляющих надежность объекта.

Количественно надежность ЭТА оценивается по следующим критериям:

- вероятность безотказной работы в течение определенного времени P(t);

- среднее время до первого отказа T_ср;

- интенсивность отказов (t);

- функция готовности К_г(t);

- коэффициент готовности К_г.

Критерии надежности можно разделить на две группы:

- критерии, характеризующие надежность невосстанавливаемых изделий;

- критерии, характеризующие надежность восстанавливаемых изделий.

Невосстанавливаемыми называются такие изделия, которые в процессе выполнения своих функций не допускают ремонта. Если происходит отказ такого изделия, то выполняемая задача будет сорвана и ее выполнение будет необходимо начинать вновь после устранения отказа, если это возможно.

Восстанавливаемыми называют изделия, которые в процессе выполнения своих функций допускают ремонт. Если происходит отказ такого изделия, то прекращение функционирования изделия происходит только на период устранения отказа.

В соответствии с вышеизложенным в данном проекте необходимо рассчитать надежность восстанавливаемого изделия. На этапе технического проектирования расчет целесообразно проводить по известным характеристикам элементов расчета (резисторы, конденсаторы, микросхемы и т.д.)

Весьма удобной характеристикой надежности изделия является интенсивность отказов, так как она позволяет достаточно просто вычислить количественные показатели надежности простейших элементов, из которых состоит изделие.

Интенсивностью отказов называется отношение числа отказавших элементов в единицу времени к среднему числу элементов, исправно работающих в данный отрезок времени.

Интенсивность отказов изделия, состоящего из N элементов, определяется по формуле

где _i - интенсивность отказов i-го элемента с учетом всех воздействующих факторов.

Интенсивность отказов показывает, какая доля всех элементов данного типа в среднем выходит из строя за один час работы.

Расчет показателей надежности проектируемого устройства

Элементы изделия находятся в различных режимах работы, значительно отличающихся от номинальной величины. Это влияет на надежность как изделия в целом, так и отдельных его составных частей. Поэтому для расчета надежности необходимо знать данные о коэффициенте нагрузки К_н отдельных элементов и о зависимости интенсивности отказов элементов от их электрической нагрузки и температуры окружающей среды.

.

При разработке и изготовлении элементов предусматриваются определенные, так называемые «нормальные» условия работы, которые приводятся в нормативно-технической документации (ГОСТ, ТУ): температура, относительная влажность, электрический режим, механические нагрузки и т.д.

Интенсивность отказов элементов в нормальных условиях эксплуатации называется нормальной интенсивностью отказов и обозначается _оi.

Интенсивность отказов элементов при эксплуатации в реальных условиях определяется по формуле:

где A_i - поправочный коэффициент интенсивности отказов, учитывающий влияние температуры окружающей среды (Т,С), и электрической нагрузки (К_н).

,

где K_i, - поправочный коэффициент интенсивности отказов, учитывающий воздействие, главным образом, механических нагрузок (i) и относительную влажность окружающей среды (g):

.

Значения поправочных коэффициентов Aб_i приведены в таблице 3.1. Так как эксплуатацию устройства предполагается производить в условиях лаборатории, т.е. нормальных, поправочный коэффициент K_i = 1.

Значения коэффициента Aб_i, а также рассчитанные по вышеприведенным формулам показатели надежности проектируемого устройства приведены в таблице 4.