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

Примем внутреннее сопротивление источника питания r= 1 Ом. Тогда из условия Rc3<<Rи определим величину емкости С3

. Произведем расчет элементов, определяющих режим работы транзистора по постоянному току. Определим величину сопротивления R2 по формуле

Тогда сопротивление R1 будет определяться из выражения

. Произведем расчет элементов резонансного контура. По формуле Томпсона имеем

где f - частота настройки контура, равная в нашем случае 10 кГц.

Преобразовав выражение (6.7), получим

Зададимся величиной индуктивности. Примем L=200 мкГн. Тогда величина емкости контура будет равна

5. Расчет погрешности измерительного канала и определение его класса точности

Важной задачей является оценка погрешности ИИС, которую можно произвести по характеристикам погрешности входящих в нее функциональных блоков.

Основными блоками, вносящими погрешность, являются: датчик и измерительный мост, усилитель низких частот, модуляторы поднесущих, частотный модулятор, линия связи, а также аналого-цифровой преобразователь, входящий в состав блока ADAM-3016. Произведем оценку погрешности, вносимую каждым из перечисленных функциональных блоков. Следует также отметить, что неидеальность характеристик полосовых фильтров не будет оказывать заметного влияния на искажение сигнала, поскольку при проектировании канальных амплитудных модуляторов были оставлены промежутки на расфильтровку. Все остальные узлы ИИС не оказывают заметного влияния на сигнал.

.1 Расчет погрешности датчика и измерительного моста

В соответствии с техническими характеристиками на используемый датчик, его основная погрешность составляет 0,04% от рабочего коэффициента передачи (тензочувствительности). Тогда в абсолютных величинах

где К - рабочий коэффициент передачи, равный 2 мВ/В.

С учетом выражения (2.2) абсолютная погрешность изменения сопротивления датчика будет равна (для массы 1000 кг)

Будем полагать, что эта погрешность имеет равномерное распределение [11]. Тогда для равномерного закона распределения имеем

где σ - среднее квадратическое отклонение составляющей погрешности.

С учетом квантиля распределения Стьюдента (с n степенями свободы и доверительной вероятностью Р) t для равномерного закона распределения пределы изменения абсолютной погрешности датчика будут составлять

Тогда относительная погрешность датчика определится по формуле

где Х - действительное значение измеряемой величины (снимаемое с датчика значение сигнала).

Погрешность, вносимая датчиком, носит аддитивный характер.

Поскольку датчик включен в мостовую измерительную цепь таким образом, чтобы обеспечить термокомпенсацию, а также исключить температурную погрешность кабеля, то для данной цепи температурная погрешность будет отсутствовать. Поэтому оценим погрешность, появляющуюся из-за нестабильности источника питания

По заданию нестабильность источника питания составляет ±10%. Тогда по абсолютной величине.

Учитывая выражение (2.4), абсолютная погрешность измерительного моста из-за нестабильности источника питания будет определяться по формуле

Погрешность от колебаний напряжения питания является чисто мультипликативной и распределена по тому же закону, что и отклонения напряжения сети от своего номинального значения. Т.к. распределение напряжения сети близко к треугольному, то и погрешность, вносимая мостовой измерительной цепью, имеет треугольное распределение [11]. Тогда для треугольного закона распределения имеем

С учетом квантиля распределения Стьюдента (с n степенями свободы и доверительной вероятностью Р) t для равномерного закона распределения пределы изменения абсолютной погрешности мостовой цепи будут составлять

Тогда относительная погрешность измерительной мостовой цепи определится по формуле

5.2 Расчет погрешности усилителя

Схема электрическая принципиальная усилителя приведена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 - Схема электрическая принципиальная усилителя

Погрешность усилителя состоит из двух составляющих: температурной погрешности и погрешности из-за нестабильности источника питания.

Расчет температурной погрешности

Принимаем, что , , , . Выберем транзистор КТ201А, для которого , .  по заданию. Необходимый коэффициент усиления .

Изменение коэффициента усиления можно рассчитать по формуле

Будем полагать, что эта погрешность имеет равномерное распределение [11]. Тогда для равномерного закона распределения имеем

С учетом квантиля распределения Стьюдента (с n степенями свободы и доверительной вероятностью Р) t для равномерного закона распределения пределы изменения абсолютной погрешности усилителя будут составлять

Температурная погрешность усилителя носит аддитивный характер.

Расчет погрешности из-за нестабильности источника питания

По заданию нестабильность источника питания 220 В . Т.к. транзистор питается напряжением 5 В, то нестабильность .

Параметр транзистора .

Тогда абсолютное изменение параметра  можно рассчитать по формуле

Изменение коэффициента усиления можно рассчитать по формуле

Будем полагать, что эта погрешность распределена по треугольному закону и является мультипликативной [11]. Тогда для треугольного закона распределения имеем

С учетом квантиля распределения Стьюдента (с n степенями свободы и доверительной вероятностью Р) t для треугольного закона распределения пределы изменения абсолютной погрешности усилителя будут составлять

В наихудшем случае эти погрешности будут суммироваться, т.е.

Тогда относительная погрешность коэффициента усиления будет определяться по формуле

.3 Расчет погрешности амплитудного модулятора

Поскольку в состав амплитудного модулятора входит транзистор, то погрешность, вносимую модулятором, рассчитаем подобно усилителю.

Известно, что , , , . Для данного транзистора температурный коэффициент сопротивления , .  по заданию.

Необходимый коэффициент усиления .

Расчет температурной погрешности амплитудного модулятора

Абсолютное изменение параметра  можно рассчитать по формуле

Изменение коэффициента усиления можно рассчитать по формуле

Будем полагать, что эта погрешность имеет равномерное распределение [11]. Тогда для равномерного закона распределения имеем

С учетом квантиля распределения Стьюдента (с n степенями свободы и доверительной вероятностью Р) t для равномерного закона распределения пределы изменения абсолютной погрешности модулятора будут составлять

Тогда относительная погрешность будет определяться из выражения

Для устранения (уменьшения) данной составляющей погрешности необходимо применять схемы термостабилизации.

Температурная погрешность модулятора носит аддитивный характер.

Расчет погрешности из-за нестабильности источника питания.

По заданию нестабильность источника питания 220 В . Т.к. транзистор питается напряжением 5 В, то нестабильность составляет . Однако по вольт-амперной характеристике транзистора можно определить, что при смещении рабочей точки на  на выходе модулятора либо будет отсутствовать сигнал (режим отсечки) либо будет сумма входных сигналов без преобразования. Для устранения этого недостатка необходимо применять схемы стабилизации источника питания модулятора.

.4 Расчет погрешности частотного модулятора

Ограничимся рассмотрением только той составляющей погрешности, которая связана с изменением емкости варикапа под влиянием температуры, поскольку данная составляющая погрешности для данного узла является превалирующей. Как известно, емкость варикапа следует выбирать как можно большей для уменьшения нелинейных искажений[12]. Выберем варикап типа КВ105А, номинальная емкость которого составляет 2000 пФ.

При нагреве емкость варикапов увеличивается. Данное явление учитывается с помощью температурного коэффициента емкости, который показывает, на сколько миллионных долей изменяется емкость варикапа при его нагреве на 1ºС. Для выбранного варикапа ТКЕ составляет 500·10-6 . Оценить зависимость емкости варикапа от температуры можно по формуле

где  - емкость варикапа;

 - температура нагрева, равная по заданию 20 ºС [13].

Тогда изменение емкости варикапа будет определяться из выражения

Будем полагать, что эта погрешность имеет равномерное распределение [11]. Тогда для равномерного закона распределения имеем

С учетом квантиля распределения Стьюдента (с n степенями свободы и доверительной вероятностью Р) t для равномерного закона распределения пределы изменения абсолютной погрешности в данном случае будут составлять

Тогда относительная погрешность, вызванная изменением емкости варикапа, будет равна

Температурная погрешность частотного модулятора носит аддитивный характер.

.5 Расчет погрешности линии связи

Определим, какую погрешность внесет влияние температуры на линию связи (коаксиальный кабель).

Температурная зависимость затухания кабеля имеет вид

где  - затухание кабеля при температуре 20 ºС;

 - температурный коэффициент, равный для кабелей типа РК-75 0,002;

Т - рабочая температура, ºС (в данном случае берем наивысшую температуру заданного диапазона) [14].

Тогда изменение затухания будет определяться из выражения

Будем полагать, что закон распределения данной погрешности арксинусоидальный [11]. Тогда для арксинусоидального закона распределения имеем

С учетом квантиля распределения Стьюдента (с n степенями свободы и доверительной вероятностью Р) t для арксинусоидального закона распределения пределы изменения абсолютной погрешности кабеля будут составлять

.6 Расчет погрешности модуля ADAM-3016

Поскольку модуль ADAM-3016 является типовым измерительным преобразователем для нормализации аналоговых сигналов тензодатчиков, то его основная погрешность нормирована и составляет не более 0,1%[15].

Погрешность АЦП, входящего в состав данного модуля, имеет нормальный закон распределения и является аддитивной.

.7 Расчет суммарной погрешности измерительного канала

Для оценки суммарной погрешности измерительного канала составим бюджет погрешностей, представленный в таблице 5.1.

При этом суммарная погрешность измерительного канала определяется по формуле