Расчет и проектирование измерителя скорости потока жидкости с помощью скоростных счетчиков

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Некоммерческое акционерное общество

Алматинский университет энергетики и связи

Кафедра «Электроника»

Курсовая работа

По дисциплине: «Проектирование контрольно - измерительных приборов и систем ТЭК»

На тему: «Расчет и проектирование измерителя скорости потока жидкости с помощью скоростных счетчиков»

Выполнила: Камбархан Б.Б

Принял: Елеукулов Е.О

Алматы 2015

Введение

В данном курсовом проекте решается задача синтеза, то есть проектирования электронного устройства заданного функционального назначения и расчёта параметров элементов выбранной схемы, удовлетворяющие заданным требованиям технического задания.

Процесс проектирования всегда связан с выбором оптимального варианта из нескольких возможных, то есть устройство должно быть как можно меньших размеров, обеспечивать высокую точность, минимальные затраты на его производство. Анализ электронных схем показывает, что построить измерительные устройства, одновременно удовлетворяющие требованиям минимума массы и габаритных размеров, высокого качества и быстродействия измерения при высоких энергетических показателях, невозможно из-за ограничений, присущих используемым методом.

Данное устройство рассчитано на высокую точность (порядка 2%), лёгкость в понимании работы и настройки измерительного устройства.

1. Анализ технического задания

Целью анализа технического задания является, прежде всего, определение его некоторых моментов, без которых невозможно осуществить дальнейшее проектирование. При анализе данного технического задания следует выбрать объект измерения.

Точность измерения минимальной скорости потока в абсолютных единицах составляет:

Исходя из измеряемого диапазона, определим минимальную и максимальную частоту замыканий датчика и соответствующие этим частотам интервалы времени:

При определении частоты замыканий и размыканий датчика за определённый период времени заданная точность измерения не будет достигнута. Поэтому в качестве объекта измерения необходимо выбрать интервал между замыканиями контактов, и затем этот интервал будет преобразован в скорость потока жидкости с выводом показаний на индикаторы.

2. Разработка структурной схемы устройства

Структурная схема измерителя скорости потока жидкости, основанная на анализе технического задания, изображение на рис. 3.1

Рис. 3.1 Структурная схема измерителя скорости потока жидкости.

Схема основана на измерении числа импульсов с генератора опорной частоты (ГОЧ) за 3 срабатывания датчика скорости с помощью двоичного счётчика импульсов СТ2, и дальнейшем их усреднении и преобразовании среднего значения в код индикации с помощью преобразователя (X/Y) и выдачи на устройство индикации отбор 3_х импульсов датчик скорости (ДС) осуществляется с помощью двоичного счётчика СТ1 и элементов «И-НЕ» и «И». После прохождения 3_х импульсов СТ1 элемент «И» запирается и импульсы ДС не поступают. В схеме должен быть предусмотрен генератор тактовых импульсов (ГТИ) с периодом импульсов Тгти=2 мин. и временем импульса tимп=10 мкс., необходимым для сброса счётчиков. При этом после каждого импульса счётчики сбрасываются, замер происходит за время не более , а остальное время до 2_х минут новые показания высвечиваются на устройстве индикации. Для проведения поверки в схеме предусмотрен ключ (К) и поверочный генератор импульсов Gобр. При нажатии ключа вход устройства переключается с датчика скорости на выход поверочного генератора Gобр. Примем, что частота импульсов поверочного генератора должна быть рассчитана таким образом, чтобы за 3 его импульса на индикаторах появилось число «888.88».

3. Расчёт и выбор элементов электрической принципиальной схемы устройства

Устройство индикации.

Для индикации показаний скорости потока жидкости используем семисегментные индикаторы типа АЛС324А с типовой схемой включения. Индикатор имеет следующие параметры:

Номинальный ток свечения Iсв.ном.=10мА; Прямое падение напряжения на светодиоде при номинальном токе свечения ДUсд=2В.

Для преобразования 4_разрядного двоично-десятичного кода цифры в код индикации используем специализированные дешифраторы типа К561ИД4 с типовой схемой включения [3]. Для зажигания запятой в сегменте HG3 требуется подключить через токоограничивающий резистор Rсв к напряжению источника питания Uп=9В.

Определим сопротивление и мощность этого резистора:

По спр [4] выбираем резистор типа С2-23-0.125-680 Ом ±5%

Выбор счётчика опорных импульсов.

Для обеспечения заданной точности измерения период импульсов ГОЧ должен быть равен:

Исходя из величины определим минимальные и максимальные число импульсов, поступающих на счётчик за один цикл измерения:

Определим разрядность счётчика импульсов ГОЧ:

14_разрядный двоичный счётчик импульсов реализуем на основе каскадного включения микросхем типа К561ИЕ10 [3]. Одна микросхема содержит в себе два 4_разрядных асинхронных счётчика. Для реализации 14_разрядного двоичного счётчика потребуется две микросхемы.

Для счёта импульсов датчика скорости достаточно использование 2_разрядного счётчика импульсов. Поэтому в качестве счётчика импульсов датчика скорости используем микросхему типа К561ИЕ10 [3]. Микросхема является 4_разрядным счётчиком.

Как было вычислено выше, период импульсов ГОЧ должен быть равен и для достижения заданной точности показаний также иметь не ниже заданной точности, поэтому генератор опорной частоты должен быть с кварцевой стабилизацией. Схема ГОЧ с кварцевой стабилизацией частоты изображена на рис. 5.5.1 [5].

Рис. 5.5.1 Схема ГОЧ с кварцевой стабилизацией частоты.

Период выходных импульсов ГОЧ определяется только частотой кварцевого генератора. Определим необходимую частоту кварцевого генератора:

Выбираем кварцевый резонатор типа РК_169МА_14БП_12.5кГц-В [6].

В качестве элементов «И-НЕ» для ГОЧ используем микросхему типа К561ЛА7.

Расчёт и выбор элементов генератора тактовых импульсов.

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) должен генерировать последовательность тактовых импульсов с периодом и временем импульса . Схему такого ГТИ спроектируем на основе генератора с кварцевой стабилизацией и делителя частоты. Функциональная схема такого ГТИ изображена на рис. 5.6.1:

Рис. 5.6.1 Функциональная схема ГТИ.

Определим выходную частоту генератора с кварцевой стабилизацией и частоту кварцевого резонатора:

Определим коэффициент деления делителя частоты:

Делитель частоты с данным коэффициентом деления спроектируем на основе последовательного включения двух микросхем программируемых счётчиков типа К561ИЕ15.

Таблица 5.6.1. Программируемый счётчик

Таблица 5.6.2. Выбор входов и коэффициента деления счётчика

Таблица 5.6.3. Рабочие состояния счётчика ИС К564ИЕ15.

счетчик жидкость поток скорость

Счётчик может работать в двух режимах деления и однократного счёта. Режим деления представляет собой режим, когда на выходе образуются импульсы с частотой fвх/N и длительностью, соответствующей периоду поступающей частоты fвх. Режим однократного счёта представляет собой режим, когда после поступления на вход запрограммированных N импульсов на выходе микросхемы появляется сигнал высокого уровня, не меняющийся с приходом последующих тактовых импульсов.

Выбор датчика скорости потока жидкости.

В качестве датчика скорости потока жидкости, удовлетворяющему техническому заданию, используем датчик объёмного расхода жидкости турбинный типа ДОРТ_3 [7]. Схематическая конструкция датчика изображена на рис. 5.7.1:

Рис. 5.7.1 Схематическая конструкция датчика

Он состоит из трубы из немагнитного материала, по которой протекает жидкость. В трубе расположена на оси турбинка с несколькими магнитными лопастями, а с наружи трубы располагаются герконовые контакты. При прохождении магнитной лопасти рядом с герконом контакт замыкается. Таким образом, чем больше скорость потока жидкости, тем больше частота вращения турбинки, и тем больше частота замыканий герконовых контактов.

Расчёт поверочного устройства.

Для переключения устройства в режим поверки используем ключ. Поверочный индикатор тактовых импульсов (Gобр) должен быть рассчитан таким образом, чтобы в режиме «поверка» на индикаторах отображалось показание «888.88». Примем, что ПЗУ будет запрограммирован таким образом, что заданное число будет высвечиваться при числе импульсов Nобр=51. Исходя из этого определим период генерации импульсов образцового генератора:

До включения источника питания Е конденсатор был разряжен. После включения источника в первый момент конденсатор остаётся разряженным, и напряжение на нём, а следовательно, и на соединённых между собой контактах 2 и 6 интегрального таймера равно 0. При этом напряжение на контакте на контакте 2 (нулевое) оказывается меньше порогового уровня U1, компаратор DA2 включается, вырабатывая выходной сигнал, воздействующий на вход R триггера. На выходе триггера устанавливается сигнал логического нуля, на выходном контакте 3 интегрального таймера - сигнал логической 1, то есть с уровнем Е1. Выходное напряжение +Е1 начинает заряжать конденсатор Сt через резистор Rt с постоянной времени ф=RtCt (предполагается что выходное сопротивление инвертора DD1 существенно меньше Rt). Когда напряжение на С1 перейдёт пороговый уровень U1, компаратор DA2 выключится. Однако RS_триггер останется в том же положении, так как сигнал на его установочный вход S ещё не поступил. Заряд конденсатора продолжается. Когда напряжение на конденсаторе Ct, а следовательно, и на контакте 6 таймера превысит уровень U2, включается компаратор DA1 и выходной сигнал с него поступает на вход S триггера и переключает его в состояние логической 1 на выходе. На контакте 3 интегрального таймера устанавливается логический 0 (E0). Конденсатор Ct начинает разряжаться через резистор Rt от напряжения U2 к уровню E0. Когда напряжение снизиться до U1, произойдёт очередное переключение выходного напряжения.

Считая, что длительность выходного импульса соответствует сигналу логической единицы на контакте 3, определим длительность выходного импульса. Учитывая экспоненциальный характер изменения напряжения на конденсаторе Ct при его зарядке, не сложно получить выражение:

Промежуток времени между выходными импульсами:

Для точной оценки периода колебаний используется выражение:

Времязадающий конденсатор выберем типа К10-170-25В_0.047мкФ[4].

Из выражения 5.8.3 определим величину сопротивления времязадающего резистора:

В качестве времязадающего резистора выбираем подстроечный многообратный резистор с разрешающей способностью дR=0.1% типа СП5-2ВА_0.5-24кОм±10% [4].

Выбор других логических микросхем

В качестве логических элементов «И» рис. 3.1 используем микросхему типа К561ЛА7 с последовательным включением элементов.

Для соединения измерителя с датчиком скоростью и питающем напряжением используем разъём типа ГРПМ[4].

Заключение

Разработанное устройство (измеритель скорости потока жидкости), предназначенное для контроля расхода жидкости в закрытых и открытых системах её циркуляции, позволяет измерять скорость потока жидкости в пределах от 1 до 100 м/с.

В целях обеспечения точности, надёжности работы устройства и его простоты, большинство узлов выполнено в интегральном исполнении. При этом суммарная погрешность измерения не превышает 2%.

Список литературы

В.А. Скворцов, А.В. Топор, Электронные цепи и микро - схемотехника. Часть II: Методические указания к курсовому пректу. - Томск ТУСУР, 2007. - 31 с.

Б.В. Тарабрин, Л.Ф. Лунин, Ю.Н. Смирнов и др. - М.: Радио и связь, 1983. - 528 с.

Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходорёнок - Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА Мн.: Беларусь, 1994-591 с.

Размещено на Allbest.ru