Курсовая работа (т): Информационно–измерительная система распределенного действия для контроля измерения веса

Рисунок 1.4 - Структурная схема системы измерения веса сыпучих материалов

Данная система позволяет исключить погрешность связанную с неравномерностью распределения материала по поверхности ленты. Для этого отсчет со второго весоизмерителя синхронизуется с отсчетом взятым с первого весоизмерителя. Достигается это с помощью устройства контролирующего перемещение ленты [4].

2. Выбор, обоснование и предварительный расчет структурной схемы

Структурная схема разрабатываемой ИИС приведена на рисунке 2.1.

В качестве источника информации был использован тензорезистор, который включается в мостовую измерительную цепь. Такая измерительная цепь была выбрана по ряду причин:

.        мостовые измерительные цепи обеспечивают высокую точность измерения;

.        используя мостовую измерительную цепь, удается однозначно установить нуль отсчета;

.        применяя особое включение тензорезистора в цепь, удается избежать температурной погрешности.

Принцип разделения каналов - частотный. Основными достоинствами частотного разделения каналов являются: простота технической реализации, высокая помехоустойчивость, возможность организации любого числа измерительных каналов[5]. Основным недостатком частотного разделения каналов является неизбежное расширение используемой полосы частот, однако, поскольку число измерительных каналов невелико, то отмеченный недостаток не является столь существенным.

В качестве линии связи используется коаксиальный кабель. Он обеспечит требуемую полосу частот, а затухание, вносимое им, компенсируется дополнительным усилителем.

Модуляция канального сигнала - амплитудная с двумя боковыми полосами и несущей. Амплитудная модуляция с одной боковой полосой и подавленной несущей была бы эффективней, т.к. в этом случае ширина спектра модулированного сигнала минимальна и равна ширине спектра передаваемого сообщения[5]. Однако т.к. спектр передаваемого сообщения (сигнала от датчика) начинается от нуля, то после прохождения по линии связи не удастся выделить его полосовым фильтром.

Поскольку необходим контроль параметров с помощью ЭВМ, то в качестве устройства сбора данных и управления используются модули ADAM-3016 и ADAM-4520.

Модули серии ADAM являются малогабаритными многофункциональными интеллектуальными устройствами связи с объектом, специально разработанными для применения в промышленных условиях эксплуатации.

Встроенный микропроцессор, входящий в состав каждого изделия, обеспечивает независимое от управляющей вычислительной системы выполнение функций гальванически изолированного ввода-вывода аналоговых и дискретных сигналов с последующей нормализацией, фильтрацией, преобразованием в форму, пригодную для передачи по последовательному каналу связи, а также обеспечивает информационный обмен с ведущим узлом сети передачи данных на базе интерфейса RS-485[6].

Произведем предварительный расчет разработанной структурной схемы.

Схема включения тензорезистора в мостовую измерительную цепь приведена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Схема включения тензорезистора в мостовую измерительную цепь

Такая схема включения обеспечивает компенсацию температурной погрешности кабеля.

Для данной измерительной цепи выражение для определения выходного напряжения моста относительно напряжения питания имеет следующий вид

ε∙Е/4 (2.1)

где Е - напряжение питания,

Кs - К-фактор,

ε - деформация[7].

К-фактор тензорезистора есть не что иное, как коэффициент чувствительности тензорезистора.

В свою очередь, относительное изменение сопротивления тензорезистора ΔR, вызванное деформацией ε, можно определить по следующей формуле[8]

Как известно, деформация связана с массой следующим выражением

mg/S(2.3)

где m - масса объекта, кг,

g - ускорение свободного падения на Земле, равное 9,8 м/с2,

S - площадь объекта, подвергшегося деформации (в данном случае, тензорезистора) [9].

Подставив выражение (2.3) в (2.2), получим однозначную зависимость между массой измеряемого объекта и изменением сопротивления тензорезистора. Подставив выражение (2.2) в выражение (2.1), получим аналитическое выражение для расчета номинальной градуировочной характеристики мостовой измерительной цепи, которое примет вид

Для построения данной измерительной системы был выбран датчик балочного типа Н2 фирмы «Тензо М», имеющий следующие технические характеристики:

Рабочий коэффициент передачи, мВ/В                               2;

Наибольшее напряжение питания постоянного тока, В      12;

Сопротивление входное, Ом                                                380;

Сопротивление выходное, Ом                                             350;

Рабочий диапазон температур, ºС                                       -30…+40;

Материал датчика                                              легированная сталь.

Полученные расчеты сведем в таблицу 2.1.

Таблица 2.1. Результаты расчета для построения градуировочной характеристики

Вид полученной градуировочной характеристики приведен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Вид номинальной градуировочной характеристики тензорезистора

Примем верхнюю частоту fв в спектре выходного сигнала мостовой измерительной цепи равной 100 Гц.

На выходе модулятора поднесущей спектр сигнала имеет ширину, определяемую выражением

 (2.5)

Примем защитные интервалы частот между каналами равными по 1 кГц. С учетом этого поднесущие частоты модуляторов будут равны:

fн1=10 кГц;

fн2=11,2 кГц;

fн3=12,4 кГц;

fн4=13,6 кГц.

Входное напряжение амплитудного модулятора составляет, как правило, единицы вольт. Примем его равным 0,5 В.

Таким образом, необходим усилитель с коэффициентом усиления

После суммирования канальных сигналов верхняя частота в спектре группового сигнала будет равна 13,7 кГц.

Полоса частот, занимаемая сигналом после прохождения частотного модулятора, будет определяться выражением

где fм=fв=13,7 кГц,

β - индекс частотной модуляции[10]. Поскольку частотная модуляция наиболее эффективна при β ≥1, то примем β=2.

Несущую частоту частотного модулятора полагаем равной 1 МГц.

В качестве линии связи используется коаксиальный кабель типа РК-75-7,2-м90П с полосой пропускания 5 МГц и затуханием 0,8 дБ/100м. Тогда общее затухание сигнала при прохождении по всей линии связи будет равно

 (2.8)

Это эквивалентно затуханию по напряжению в 4 раза.

Т.к. на входе частотного модулятора действует напряжение 0,5 В, сигнал в линии связи затухает в 4 раза, а напряжение на входе демодулятора должно быть порядка 2-3 В, то полагаем, что генератор несущей обеспечит амплитуду выходного сигнала частотного модулятора равной 8 В.

В качестве частотного демодулятора может быть использован резонансный усилитель, контур которого расстроен относительно резонансной частоты. Для такого демодулятора напряжение на выходе должно быть приблизительно в два раза ниже напряжения на входе[10]. Если предположить, что напряжение на выходе должно составлять порядка 1,25 В (необходимая амплитуда входного напряжения для амплитудного детектора), то соответственно на входе демодулятора должно действовать напряжение порядка 2-3 В.

Типовое входное напряжение модуля ADAM 3016 - 0,5 В. Именно таким должно быть выходное напряжение амплитудного детектора. Зададимся минимальным коэффициентом передачи напряжения Кд=0,5. Тогда амплитуда входного напряжения определится выражением

где М - коэффициент амплитудной модуляции. Если значение М не задано, то, как правило, принимают М=0,8[10].

Диаграмма уровней разработанной структурной схемы представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Диаграмма уровней для разработанной ИИС

3. Описание принципа работы структурной схемы

Входной величиной для данной системы является масса взвешиваемого объекта. Под действием деформации в поперечном направлении сопротивление тензорезистора изменяется, хотя и незначительно. Т.к. датчик включен в мостовую измерительную цепь, то изменение его сопротивления вызовет разбаланс в мостовой цепи. Однако сигнал разбаланса по своей абсолютной величине очень мал, поскольку изменение сопротивления тензорезистора незначительно. Поэтому этот электрический сигнал усиливается усилителем, а затем поступает на схему уплотнения канальных сигналов. Первым элементом этой схемы является канальный модулятор поднесущей. При частотном разделении каналов сигналы-переносчики имеют различные частоты и разнесены на интервал, больший ширины спектра модулированного сигнала. Поэтому модулированные канальные сигналы имеют неперекрывающиеся спектры. Следовательно, каждый модулятор поднесущей настроен на свою несущую частоту. Необходимо отметить, что несущие частоты для канальных модуляторов выбирались с учетом необходимости введения защитных интервалов частот между каналами, поскольку на приемной стороне необходимо разделить сигналы с помощью фильтров, и отклонение реальных характеристик фильтров от идеальных не должно повлиять на качество разделения. Далее эти сигналы суммируются (уплотняются по частоте) в блоке сумматора, образуя групповой сигнал. Затем этот сигнал поступает снова на усилитель, который необходим для того, чтобы скомпенсировать затухание сигнала, связанное с передачей сигнала по линии связи. Выходным сигналом этого усилителя модулируется колебание основной несущей частоты в блоке частотного модулятора. Затем сигнал передается по линии связи.

На приемной стороне необходимо разделить канальные сигналы. Поэтому после передачи по линии связи сигнал демодулируется по несущей частоте для получения группового сигнала. С помощью полосовых фильтров, настроенных на соответствующие частоты, из группового сигнала выделят канальные сигналы, которые затем снова проходят процесс демодуляции. Центральные частоты полосовых фильтров равны частотам канальных переносчиков, а их полосы пропускания - ширине спектров модулированных сигналов. Каждый из фильтров приема должен пропускать без ослабления лишь те частоты, которые принадлежат сигналу данного канала. Частоты сигналов всех других каналов фильтр должен подавить.

Полученные сигналы через фильтры нижних частот поступают на блок введения сигнала от тензодатчика ADAM-3016, а затем на модуль ADAM-4520, который позволяет интегрировать существующие сети устройств нижнего уровня с устройствами более высокого уровня (управляющим компьютером).

4. Описание схемы электрической принципиальной и электрический расчет амплитудного модулятора

Схема электрическая принципиальная амплитудного модулятора представлена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема электрическая принципиальная амплитудного модулятора

В разработанном амплитудном модуляторе наиболее эффективно применение базовой модуляции. Это обусловлено тем, что модулирующий сигнал низкочастотный, малой мощности, а также выбранным коэффициентом амплитудной модуляции (m=0,8).

В данной схеме на трансформатор Т1 подается высокочастотный сигнал, на трансформатор Т2 - модулирующий сигнал низкой частоты. С помощью делителя R1R2 задается положение рабочей точки на середине квадратического участка вольт-амперной характеристики транзистора. Емкость С1 предназначена для устранения влияния высокочастотного колебания на низкочастотное. Емкость С2 предназначена для устранения влияния низкочастотного сигнала на цепи смещения по постоянному току. Транзистор нагружен на резонансный колебательный LC-контур.

Произведем выбор транзистора.

Определим мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора[10].

Максимальный ток в цепи эмиттера определяется по формуле

где  - амплитуда выходного сигнала модулятора (принимаем ее равной 2 В);

Rвх.с - входное сопротивление сумматора (принимаем его равным 4 кОм).

Ток эмиттера покоя определяется из следующего выражения

где  - коэффициент запаса, принимаемый равным (0,7÷0,95).

Полагая Iкп≈Iэп, находим мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора

Выбираем маломощный среднечастотный транзистор n-p-n типа КТ601А. Его основные характеристики:

коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала h21э=16 при Т=25…85 ºС;

емкость коллекторного перехода не более 15 пФ;

постоянная рассеиваемая мощность Pк=250 мВт при Т=+55 ºС.

Вольт-амперная характеристика транзистора приведена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Вольт-амперная характеристика транзистора КТ601А

Выбираем рабочую точку А на середине квадратического участка характеристики с координатами Uбэ=0,55 В; Iб=0,05 мА.

Произведем расчет элементов схемы.

1.       Произведем расчет емкости С1.

Принимаем сопротивление катушки трансформатора Rк≈10 Ом. Тогда из условия, что Rc1<<Rк, принимаем Rс1=1 Ом. Тогда емкость конденсатора будет определяться по формуле

где fн - частота несущего колебания, равная 10 кГц.

.        Аналогично определим величину емкости С2.