Міністерство освіти і науки України
Вінницький державнийтехнічний університетФакультетАКСУ
Кафедра метрології іпромислової
автоматики
КУРСОВА РОБОТАКомп’ютеризована вимірювальнасистемавимірювання залежності кутової швидкості від часу
Виконав: ст. гр. 1АМ-04
Опаріна О.М.
Прийняв: к.т.н., доц.
Кулаков П.І.
Вінниця – 2008
ВСТУП
Специфічною особливістю тахометріїє вимога високої точності вимірювання: в більшості випадків вимірюванняшвидкостей повинні виконуватись з точністю на один-два порядку вище, ніжвимірювання інших параметрів руху. В останній час ця вимога накладається ще надинамічний режим роботи тахометра, обумовлюючи ще одну вимогу — високушвидкодію.
Дуже важливим елементомвимірювального кола кутової швидкості є тахометричний перетворювач. В сучаснихвимірюваннях, в основному використовуються два види тахометричнихперетворювачів — частотні та амплітудні, інформативними параметрами вихідногосигналу яких є, відповідно, частота (період) та амплітуда.
Нині найточнішими вважаютьсядискретні методи вимірювання кутової швидкості. Вони грунтуються на квантуваннісигналів за рівнем та дискретизації у часі [1].
Для більшостіелектродвигунів, які працюють у різноманітних пристроях автоматики, системахточних електроприводів, різноманітних побутових пристроях, динамічний режим є основним режимом їх роботи. Велике значення, особливо для апаратури відео тазвукозапису, систем автоматики, має високоточне вимірювання відхилень кутовоїшвидкості електродвигуна від номінального значення.
Широке застосуванняматематичних моделей електродвигунів обумовлює необхідність перевірки їхадекватності. Це краще за все робити шляхом порівняння розрахункової динамічноїхарактеристики з експериментальною.
В останній час з’явилось багато науковихпраць, що присвячені ідентифікації параметрів електродвигунів за їхматематичними моделями, що дозволяє значно скоротити час їх випробувань. Використовуєміпри цьому алгоритми обумовлюють необхідність високоточного вимірювання динамічниххарактеристик електромеханічних перетворювачів енергії (ЕМПЕ).
Незважаючи на те, що відома великакількість різноманітних тахометрів, тахометричних перетворювачів, багато з якихможе бути застосовано для динамічних вимірювань, вітчизняна промисловість такихпристроїв не випускає. Це обумовлює необхідністьрозробки високоточного пристрою для динамічних вимірювань кутової швидкості.
1Огдяд методів вимірювання кутової швидкості
В основі побудови цифровихтахометрів лежить визначення лічильними методами відношення
/>,(1.1)
де /> —середня кутова швидкість; />відповіднокут та час повороту дискретного перетворювача кута, який встановлено на валудосліджуємого приводу.
Найпоширеними в теперішній час єчастотні фотоелектричні дискретні перетворювачі кута, частота вихідного сигналуяких прямо пропорційна кутовій швидкості. У частотний фотоелектричний сенсорвходить джерело світла, фотоприймач, модулятор, який уявляє собою диск зпрорізями вздовж кола. При обертанні модулятора, світловий потік, що попадає нафотоприймач, змінюється, і на його виході формуються імпульси напруги, частотаяких прямо пропорційна кутовій швидкості, тобто здійснюється апаратнедиференціювання кута повороту за часом [2].
При вимірюванні за допомогою такогосенсора кутовоїшвидкості у перехідному режимі миттєва кутова швидкість обертання визначаєтьсяяк
/>,(1.2)
де /> -кутова швидкість; /> - часовийінтервал між двома слідуючими один за одним імпульсами; z — кількість прорізівмодулятора.
Тобто миттєва кутова швидкість євеличиною зворотньо пропорційною часовому інтервалу між двома імпульсами тауявляє собою дискретну функцію часу із змінним кроком, який залежить відвхідної величини. Це приводить до того, що при низьких значеннях кутовоїшвидкості похибка первинного перетворення значно збільшується. Крім того сенсорнечутлив до напрямку обертання.
При вимірюванні середнього значеннякутової швидкості, тобто коли тахометр працює в режимі частотоміру, кутовашвидкість і чаcтота обертання зв’язані між собою співвідношенням [3]:
/> =/>, (1.3)
де f- частота вихідного сигналу ТП;
При роботі тахометра в такомурежимі проведення динамічних вимірювань кутової швидкості неможливе.
В залежності від того, який ізуказаних у (1.1) параметрів вимірюється, розрізняють цифрові тахометрисереднього значення (ЦТСЗ) та цифрові тахометри миттєвого значення (ЦТМЗ).
В ЦТСЗ методом підрахунку імпульсівпервинного тахоперетворювача визначають кут повороту валу досліджуємого об’єктуза фіксований інтервал часу, який задається зразковою мірою часу.
В ЦТМЗ здійснюється вимірюванняперіоду вихідного сигналу первинного тахометричного перетворювача, шляхомзаповнення його імпульсами від генератору зразкової частоти.
У першому випадку методомпідрахунку імпульсів від частотного тахометричного перетворювача з одночаснимкодуванням результату визначають частоту обертання валу за фіксований зразковийчасовий інтервал. Тахометри, реалізуючі такий метод вимірювання ефективнопрацюють в області високих частот обертання.
Для зменьшення похибки такихтахометрів перспективним є застосування вагових методів підвищення точності[4], суть яких полягає у наступному. Особливістю класичних ЦТСЗ є те, щоінформація про фазу досліджуємого сигналу використовується тільки лише вмоменти початку та закінчення вимірювань. Інформація про фазу сигналу впроміжних точках не використовується. Це вказує на принципову можливістьподальшого підвищення точності вимірювання кутової швидкості шляхомвикористання інформації про фазу інформативного сигналу на протязі всьогоінтервалу вимірювання. Таку можливість мають цифрові тахометри у яких інформативнийсигнал тахометричного перетворювача додатково квантується за рівнем з метоюпідвищення розрізнювальної здатності і в яких можливе управліннярозрізнювальною здатністю по відповідному алгоритму. Це дає можливістьодержувати інформацію про фазу сигналу, тобто використовувати осереднюючивікна.
Більш високими метрологічнимихарактеристиками в області низьких частот наділені методи, що грунтуються наінформативності періоду вихідного сигналу тахометричного перетворювача Тх.Проте при вимірюванні високих частот обертання похибки вимірювання значнозростають [5] і залежать також від динамічних характеристик досліджуємогооб’єкту.
Застосування засобів комп’ютерноїтехніки при вимірюванні кутової швидкості дозволяє поєднати два вище згаданихметоди вимірювання. А саме алгоритмічно вибирати необхідний режим роботи — ЦТСЗчи ЦТМЗ (табл. 1), для чого початково визначається критична кутова швидкість />, для якої похибки обохрежимів однакові. При досягненні об’єктом вимірювання кутової швидкості />, здійснюється перехід нанеобхідний режим роботи. Таким шляхом можна досягнути нормування похибки навсьому часі проведення вимірювання, що має особливе значення при проведеннідинамічних вимірювань.
Застосування комп’ютерної технікидозволяє також реалізувати адаптивні тахометри. Значення /> для різних типівдвигунів, тобто для різних сталих часу /> записуютьсяу постійний запам’ятовуючий пристрій. При зміні об’єкту дослідження змінюєтьсяперший період інформативного сигналу, а звідси, і значення />. Тобто цифровий тахометрадаптується під об’єкт дослідження [6]. Якщо /> , то тахометр працює врежимі ЦВМЗ, а при />> /> — в режимі ЦТСЗ.
У роботі [7] наведено аналізпохибок ЦТМЗ. Основним висновком цієї роботи є те, що для кожного значеннявимірюємої кутової швидкості є оптимальне число штрихів первинноготахометричного перетворювача, при якому результуюча середньоквадратична похибкавимірювання мінімальна. Оптимальне число штрихів знаходиться із виразу
/>,(1.4)
де /> —оптимальне число штрихів модулятора, /> —вимірюєма кутова швидкість, f0— частота опорного генератору, /> — результуюча середньоквадратичнапохибка нанесення штрихів ДПУ, /> —максимальне прискорення досліджуємого механізму.
З вище сказаного слідує, щозмінюючи число штрихів модулятору, тобто змінюючи розрізнювальну здатність ДПУ,можна мінімізувати похибку вимірювання для будь якого значення кутовоїшвидкості.
У роботах [8] запропонованоалгоритм зміни розрізнювальної здатності Zi+1 за умов, коли відомепопереднє значення Zi, а також з використанням інформації, що несекод Nт. Використання такого алгоритму роботи цифрового тахометрузменьшує надлишковість інформації, що, в свою чергу дає змогу більш раціональновикористовувати пам’ять комп’ютеру.
Для вимірювання кутової швидкості уперехідних режимах також часто використовують тахогенератори. Найбільш точнепервинне перетворення кутової швидкості в напругу здійснюють тахогенераторипостійного струму, але їх використання обмежено за рядом причин. Залежністьвихідної напруги тахогенератора постійного струму від кутової швидкостіописується виразом [9]
/>,(1.5)
де U — вихідна напругатахогенератора, UЩ — напруга на щітковому контакті, /> - кутова швидкість, kЕ — постійна машини, k — конструктивний коефіцієнт, kp — коефіцієнтпропорційності між струмом якоря та потоком, RЯ — опір обмоткиякорю, Rнав — опір навантаження.
Із аналізу виразу (1.4) випливає,що вихідна напруга тахогенератора нелінійно залежить від кутової швидкості іпри нульовій кутовій швидкості не дорівнює нулю, тобто присутня зонанечутливості.
Окрім того вихідна напругатахогенератора постійного струму має пульсуючу складову, яка обумовлюєвиникнення додаткової похибки первинного перетворення. Наявність щітковогоконтакту підвищує момент опору на валу тахогенератора, що робить недоцільнимїх застосуваня для вимірювання кутової швидкості у перехідних режимахелектродвигунів малої потужності [10].
Найбільш перспективними длявимірювання кутової швидкості у перехідних режимах електродвигунів малоїпотужності є фотоелектричні сенсори з безперервним вихідним сигналом. Відомийфотоелектричний сенсор кутової швидкості [11], у якому використовуються двалінійних фотоприймача, вихідна напруга яких з високою точністю прямопропорційна світловому потоку. Схемотехнічно такі фотоприймачі достатньо легкореалізуються на основі пари фотодіод — операційний підсилювач [12]. Модуляторсенсора має прорізі у вигляді кільцевих секторів. Діафрагма, яка розташованаперед кожним з лінійних фотоприймачів, має теж таку форму. При такій форміпрорізей та діафрагми площа отвору, через який світловий потік падає нафоточутливий шар фотоприймача лінійно залежить від кута повороту модулятора.Оскількі світловий потік прямо пропорційний площі отвору, а вихідна напругалінійного фотоприймача прямо пропорційна світловому потоку, матиме вихіднунапругу, яка прямо пропорційно залежить від кута повороту модулятора. Дляуникнення похибки первинного перетворення, що обумовлена неточністю виконаннядіафрагми та прорізей модулятора, проводиться послідовне підключення до виходусенсора вихідних сигналів лінійних фотоприймачів, які рознесені між собою напевний кут. При цьому на виході сенсора формується сигнал складної форми,крутизна фронтів якого прямо пропорційна кутовій швидкості. Шляхом обчисленняпершої похідної вихідного сигналу сенсору отримується напруга, що прямопропорційна миттєвому значенню кутової швидкості.
За допомогою цього сенсору можливевимірювання кутової швидкості у перехідних режимах електродвигунів малоїпотужності, але він має погані частотні властивості. Вихідний сигнал сенсора єперіодичним, і його частота дорівнює добутку кількості прорізів модулятора наусталену частоту обертання модулятора. Оскількі смуга пропускання лінійнихфотоприймачів обмежена, то при певній частоті обертання модулятора похибка первинногоперетворення, що обумовлена частотними властивостями фотоприймачів, значнопідвищується. Крім того складна форма вихідного сигналу обумовлює складнийалгоритм обчислення його похідної.
Виходячи з вищесказаного, можназробити висновок про доцільність розробки тахометра на основі фотоелектричногосенсора з безперервним вихідним сигналом. Однак для покращення його технічниххарактеристик необхідно використати сенсор кутової швидкості на виході якого заодин оберт валу формується тільки один імпульс пилоподібної форми, за рахунокчого зменьшується частота вихідного синалу та покращуються частотні властивостіперетворювача. Це дасть змогу значно розширити частотний діапазон вимірюємихкутових швидкостей у порівняння з існуючими аналогами.
2 Розробка структурноїсхеми комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутовоїшвидкості від часу
До складу розроблюємого пристроювходить первинний тахометричний перетворювач. Доцільно використати такий ТП,який буде мати аналоговий вихідний сигнал, прямо пропорційний куту повороту.Шляхом обчислення його першої похідной визначається кутова швидкість.
Аналогові диференціюючи пристроїмають велику похибку та вузький частотний діапазон, що не може задовільнитивимоги технічного завдання. Тому необхідно використати цифрове диференціюваннявихідного сигналу ТП. Існують три види цифрового диференціювання [16]:
Перший тип — це дискретнийдиференціатор з усередненням. Принцип його дії полягає увідніманні через однакові інтервали часу миттєвих значеньвхідного сигналу. Сигнал на виході диференціатора першого типу описуєтьсявиразом
/> (2.1)
де />-інтервал дискретності.
Другий тип — це дискретнийдиференціатор з осередненням. У цьому диференціаторі віднімаються черезоднакові інтервали часу попередньо проінтегровані на цих інтервалах значеннявхідного сигналу. Сигнал на виході диференціатора другого типу
/>,(2.2)
Цифровий диференціатор третьоготипу — це диференціатор з усередненням на частині інтервалу. У ньомувіднімаються через однакові інтервали часу попередньо проінтегровані на частиніцих інтервалів значення вхідного сигналу. Вихідний сигнал описується виразом
/>,(2.3)
Імпульсні характеристикидиференціаторів першого, другого та третього типів описуються відповідновиразами
/>,(2.4)
/> (2.5)
/>, (2.6)
де /> -дельта-функція Дирака, />
Провівши пряме перетворення Фур’євід імпульсних характеристик та відокремивши дійсну та мниму частини отримуємочастотні та фазові характеристики диференціаторів.
Для диференціатора першого типу
/>,(2.7)
/>.(2.8)
Для диференціаторів другого типу
/>,(2.9)
/>.(2.10)
Для диференціаторів третього типу
/>,(2.11)
/>.(2.12)
Вибір одного з цих трьох видівзалежить від конкретного випадку, але кожен з них обумовлює необхідністьвикористання аналого-цифрового перетворювача.
Розроблюємий пристрій призначен длявисокоточного вимірювання та контролю кутової швидкості та інших параметрівруху ЕМПЕ у динамічному режимі. Тобто він повинен працювати як в режиміреального часу так і обчислювати залежності кутової швидкості, кутовогоприскорення, кута повороту валу від часу. Це обумовлює необхідність реалізаціїпристрою на основі персональної ЕОМ.
Таким чином, пристрій будескладатись з двох структурних блоків:
— тахометричного перетворювача;
— блоку зпряження тахометричногоперетворювача з ПЕОМ.
Для узгодження роботи аналого-цифровогоперетворювача та мікропроцесора ПЕОМ необхідно використати портуведення-виведення та схему його ініціалізації.
Для запуску аналого-цифровогоперетворювача використовується генератор з кварцевою стабілізацією частоти. Привідомому періоді частоти цього генератору можливе вимірювання залежностейпараметрів руху від часу, не проводячи сумісних вимірювань часу.
Данні та керуючі сигнали портууведення-виведення передаються на системну шину та ОЗУ ПЕОМ. Після проведеннявимірювань необхідні залежності обчислюються у відповідності з схемою роботипристрою.
Структурну схему розроблюємогопристрою наведено на рис. 2.1.
/>
Рис. 2.1 — Структурнасхема комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутовоїшвидкості від часу
3 Розробка електричноїпринципової схеми комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірюваннязалежності кутової швидкості від часу
3.1 Розробкаелектричної принципової схеми тахометричного перетворювача
Розглянемо рис. 3.1, на якомунаведено схематичне креслення ТП. Він має вал 1, на який насаджено модулятор 2,за яким знаходиться діафрагма 3. За діафрагмою знаходяться два фотоприймача 4та 5 (на рис 3.1, а вони також позначені відповідно F2таF1. На рис. 3.1, б їхпозначено штриховою лінією). Діафрагма (на рис. 3.1, б її позначено жирноюлінією) має прорізі 6 та 7. Їх форма обмежена концентричними колами, центр якихспівпадає з центром модулятору та промінями, які починаються в центрімодулятору, кут між якими дорівнює />.Модулятор має дві прорізі — 8 та 9. Прорізь 8 має таку ж форму і розташована натакій же відстані від центру модулятора, як і прорізь 7 діафрагми. Форма прорізі 9 обмежена кривими /> та />.
Фотоприймач F1реалізовано на основі пари фотодіод-операційний підсилювач. Вихідна напругатакого фотоприймача в залежності від площі освітлюємого шару фотодіоду, приосвітленні джерелом світла з конденсорною лінзою, що забезпечує рівномірнийсвітловий потік на всій освітлюємій поверхні, описується виразом.
Розглянемо, як залежить площаотвору, який утворюється при обертанні модулятора перекриттям прорізів 6 та 9діафрагми та модулятору, через який світло попадає на фоточутливий шарфотодіоду фотоприймача F1,в залежності від кута повороту />.
/>/>
а)б)
Рис. 3.1 Схематичне креслення ТП
В діапазоні значень кута повороту /> ця залежність описуєтьсявиразом :
/> (3.1)
В діапазоні значень кута повороту />:
/> (3.2)
Площа отвору, через який світлопопадає на фоточутливий шар фотодіоду, є лінійною функцією кута поворотумодулятора відносно діафрагми.
Вираз, який зв’язуєвихідну напругу фотоприймача F1з кутом повороту />.
/>(3.3)
Шляхом нескладних перетвореньотримуємо вираз, який зв’язує напругу Uта кут повороту модулятора відносно діафрагми.
/> (3.4)
Як слідує з виразу (3.4), повихідній напрузі фотоприймача F1неможна точно визначити кутовє положення чи кутову швидкість валу об’єктудосліджень.
Тому використовується фотоприймач F2,призначення якого полягає у формуванні сигналу, який приймає значення логічноїодиниці при /> та логічного нуля в іншомувипадку. Його функціональну схему наведено на рис. 3.2,а працює він слідуючим чином.
При обертанні модуляторуперекриваються прорізі 7 та 9 модулятора та діафрагми. Площа освітлюємогофоточутливого шару фотодіоду фотоприймача F2при вище описаній формі прорізів модулятора та діафрагми змінюється затрикутним законом. Відповідно за трикутним законом змінюється і вихідна напругаUFопераційногопідсилювача DA1. Внаслідоктого, що прорізі 7 та 8 мають рівну кутову ширину, а прорізь модулятора 8розташована на вісі />, при чому цявісь співпадає з бісектрисою кута, проміні якого обмежують конфігурацію цієїпрорізі, проміжок часу між серединами фронтів трикутної напруги співпадає зчасовим проміжком формування заднього фронту напруги U.Для формування імпульсу напруги UC,який свідчить про те, що кут повороту модулятора відносно діафрагми знаходитьсяв межах />, служить компаратор DA2,на неінвертуючий вхід якого подається опорна напруга UП,яка дорівнює половині амплітуди напруги UF,а на інвертуючий вхід — напруга UF.
Виходячи з вище сказаного, можназаписати рівняння перетворення ТП.
/>.
(3.5)
/>
Рис. 3.2. Функціональна схемафотоприймача F2.
/>
Рис. 3.3. Часові діаграми роботи ТП
Вираз, що зв’язує вимірюєму кутовушвидкість з вихідною напругою ТП
/>,(3.6)
Рівняння, що зв’язує кут поворотумодулятора відносно діафрагми з вихідною напругою ТП
/>,(3.7)
3.2 Розробка пристроюспряження тахометричного перетворювача з ЕОМ
Для реалізації пристрою длявимірювання та контролю кутової швидкості необхідно реалізувати пристрій дляспряження тахометричного перетворювача з ЕОМ.
Розробляємий пристрій орієнтован надослідження перехідних режимів ЕМПЕ, тобто нас в даному випадку не цікавитьробота пристрою у реальному часі. Але це не значить, що його роботу у реальномучасі неможливо реалізувати. Для цього необхідно змінити алгоритм його роботитак, щоб після кожного вимірювання проводилось обчислення кутової швидкості тавивід її значення.
Вихідний сигнал тахометричногоперетворювача перетворюється у цифровий код за допомогою аналого-цифровогоперетворювача. Розрізнювальна здатність пристрою за кутом повороту залежить відчисла розрядів АЦП та визначається виразом
/>,(3.8)
де />-розрізнювальна здатність за кутом повороту; n-кількість двійкових розрядів АЦП.
Задаємось значенням кутової ширинипрорізі діафрагми />=10виходячи з умов технічного завдання />=0.10,визначаєм необхідну кількість двійкових розрядів.
/>,(3.9)
З цього виразу слідує, що необхідновибрати 12-розрядний АЦП.
Швидкодія АЦП повина бутимаксимально можливою, що забезпечить вимірювання максимально можливої кутовоїшвидкості, верхнє значення якої обмежується частотними властивостямифотоприймачів. Вимірювання низьких кутових швидкостей можливо забезпечитишляхом зменьшення тактової частоти АЦП чи програмно.
Цим умовам задовільняє АЦП фірми ANALOGDEVICES AD1671.Параметри цієї мікросхеми наступні [11]
Час перетворення — 800 нс
Частота дискретизації 1.25 МГц
Вбудований пристрій вибіркизберігання
Низка споживаєма потужність
Індикація вихіду вхідного сигналуза межі діапазону
Для узгодження роботи процесора зАЦП необхідно використати порт уведення-виведення.
Обираємо двунаправленийпрограмований паралельний порт уведення-виведення вітчизняного виробництваК580ВВ55.
Ця мікросхема уявляє собоюпрограмований порт, який включає в себе три двунаправлених порти.
Порт ініціалізується схемоюініціалізації INIT,за допомогою якої формується сигнал />вибіркипорту CS та на йоговходи А0 та А1 подаються сигнали, які визначають режим його роботи.
Генератор з кварцевою стабілізацієючастоти, що запускає АЦП, запускається програмно через порт, коли в ньогозаписується керуюче слово «початок вимірювань». Вихідний сигнал генераторублокується керуючим словом «кінець вимірювань».
Крім запуску АЦП, вихідний сигналгенератору є сигналом запиту на переривання, використовується переривання 10,яке найчастіше за все резервується для підключення зовнішних пристроїв. Покожному імпульсу запуску процесор переходить до обробки цього переривання,тобто переходить до підпрограми, яка очікує, коли АЦП закінчить перетворення, апотім здійснює зчитування данних з порту уведення-виведення до ОЗУ.
4 Електричнірозрахунки
4.1 Електричнірозрахунки лінійних фотоприймачів
Розрахуємо номінали елементівлінійних фотоприймачів. Для обох фотоприймачів використовується одне і те самеджерело світла, яке має конденсорну лінзу, що дозволяє забезпечити рівномірнийсвітловий потік по всій освітлюємій поверхні.
При настройці тахометричногоперетворювача шляхом регулювання сили світла підбирається необхідний рівеньвихідної напруги фотоприймача. Він повинен дорівнювати 5 В, тому як на такийвхідний сигнал розрахован аналого-цифровий перетворювач AD1671,який використовується у розроблюємому пристрої.
Номінальний фотострум фотодіодуФД-24К дорівнює 100 мкА.
Обчислюєм опір резистору R3(див. графічну частину)
/>50 кОм(4.1)
Обираємо резистор С2-23-52 кОм.
Задаємось вихідною напругоюлінійного фотоприймача, що виконує функції детектору заднього фронту U=5В. Номінальний фотострум фотодіоду дорівнює 50 мкА. Знаходимо опір резистору R5.
/>100кОм(4.2)
Обираємо резистор С2-23-100 кОм.
В якості балансировочних резисторівобираємо резистори СП-5-150 кОм у відповідності з рекомендаціями [19].
4.2Обґрунтуваннявибору елементів генератору з кварцевою стабілізацією частоти
У відповідності з [19],для того, щоб вивести в лінійний режим логічні елементи К555ЛН1 необхідновикористати резистори опором 500 Ом. Тому обираємо резистори R1 таR2С2-23 520 Ом.
Для того, забезпечити стійку роботупристрою, щоб АЦП міг перетворити миттєве значення напруги не раніш ніж з’явитьсянаступний імпульс його запуску, необхідно частоту генератору вибрати на порядокменше ніж частота дискретизації АЦП. Тому обираємо кварцевий резонатор РК86 — 100 кГц.
4.3 Обґрунтуваннявибору елементів компаратору напруг
Компаратор напруг реалізовано намікросхемі К521СА3, яка має вихід з відкритим колектором, що обумовлюєвикористання зовнішнього опору навантаження. При використанні однополярногоживлення +5 В та для отримання на виході сигналів ТТЛ рівня при роботі нависокоомне навантаження, необхідно використати резистор опором 1 кОм [14].Обираємо резистор С2-23 1 кОм.
Елементи R7C3єелементами фільтру за джерелом живлення. Стандартні значення цих елементів R7=100 Ом, C31 мкф. Обираємо резистор С2-23 100 Ом та конденсатор К-42-П-5-1 мкФ.
Для встановлення значення опорноїнапруги обираємо резистор СП5-10 кОм.
Резистори R8таR10служатьдля узгодження вхідних опорів попереднього пристрою з послідуючим. ОбираємоС2-23 — 100 кОм.
5 Розробка алгоритмуроботи комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутовоїшвидкості від часу
Розробку алгоритмічного тапрограмного забезпечення при вирішенні подібного типу задач вже можна починатипри завершенні розробки фунціональних схем апаратної частини.
Якщо задача на розробкупоставлена, то для отримання алгоритму роботи пристрою необхідно виконати рядпослідовних дій [16]:
— детальний опис задачі;
— аналіз задачі;
— інженерну інтерпритацію задачі;
— розробку загального алгоритмуфункціонування контролера;
— розробку деталізованихалгоритмів;
— розподілення робочих регістрів тапам'яті ЕОМ;
Після ввімкнення живленнявідбувається початкова ініціалізація пристрою, тобто автоматичне скиданняпорту та нулювання його внутрішніх регистрів.
Після цього в порт записуєтьсякеруюче слова, за яким імпульси з виходу генератору з кварцевою стабілізацієюпостіпають на вхід запуску аналого-цифрового перетворювача. Після появи першогоімпульсу формується запит на переривання, після чого проводиться очікуваннясигналу готовності АЦП.
Після появи сигналу готовності АЦПперший байт його вихідного коду записується до порту. З порту він зчитується тазаписується в ОЗУ. Лічільник числа зчитувань з АЦП збільшується на одиницю.Після цього до ОЗУ заноситься другий байт даних.
Після цього проводиться перевірка,який фронт сигналу діє — задній чи передній.
Якщо задній, то кут поворотуобчислюється за формулою
/>.(5.1)
Якщо передній, то кут поворотуобчислюється за формулою
/>.(5.2)
Після цього обчислюється поточнезначення часу за формулою
/>,(5.3)
де /> -період сигналу тактового генератору.
Далі перевіряється, чи не перша цевибірка. Якщо перша, то здійснюється перехід на початок програми та зчитуєтьсядруге слово з АЦП. Якщо вибірка не перша — обчислюється кутова швидкість завиразом
/> (5.4)
Значення кутової швидкості, кутаповороту, поточного часу записується до файлу чи виводиться на екран монітору,а програма перевіряє, чи нема сигналу кінця вимірювань. Якщо його нема,здійснюється перехід на початок програми.
6 Аналіз похибоквимірювання комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежностікутової швидкості від часу
В загальному випадку результуючапохибка цифрового диференціювання першого типу складається з методичноїпохибки, похибки інтерполяції, похибки випадкових завад, інструментальнихпохибок.
До інструментальних похибоквідносяться статична похибка, похибка, що обумовлена кінцевим часом відробки,похибка, що обумовлена кінцевим часом аналого-цифрового перетворення, похибкааналого-цифрового перетворення, похибка, обумовлена неточністю задання циклу.
Під методичною похибкою розумієтьсяпохибка методу вимірювання яка дорівнює різниці між середнім значеннямшвидкості зміни вихідного сигналу ТП на інтервалі дискретності та миттєвим їїзначенням у момент опитування.
Для даного пристрою характерною єсистематична складова похибки, що обумовлена неточністю виконання прорізівмодулятору та діафрагми і Розглянемо похибки вимірювання даного пристрою привикористанні цифрового диференціюванні першого типу. Розглянемо методичнупохибку. В момент часу ti — />методична похибка дорівнює
/> (6.1)
Якщо розкласти функцію Uбіля точки ti — /> в ряд Тейлора, а потімпровести нескладні перетворення, можна отримати оцінку цієї похибки
/> (6.2)
Тобто, для оцінки методичноїпохибки необхідна інформація про максимум третьої похідної вихідного сигналутахометричного перетворювача. Коли прискорення постійне, методична похибкадорівнює нулю.
Розглянемо похибку інтерполяції. Ціпохибки досить детально розглянуто в [4].При диференціюванні першого типу оцінка похибки ступенькової інтерполяції маєвигляд
/> (6.3)
Тобто при постійній кутовійшвидкості похибка ступенькової інтерполяції дорівнює нулю.
Похибка, що обумовлена неточністювиконання модулятору та діафрагми є систематичною і її можна відфільтруватипрограмно, визначивши в процесі випробувань.
Похибка, що обумовлена випадковимизавадами на вході залежить від багатьох різноманітних факторів. Тому, щоб неускладнювати розрахунки, не будемо її розглядати.
Інструментальні похибки залежатьтільки від використовуємої елементної бази. Під статичною похибкою дискретногодиференціатору розуміють різницю між виміряним значенням швидкості, коли кутповороту змінюється за лінійним законом, та її дійсним значенням, привідсутності усіх інших складових. Вираз для інструментальної статичної похибкимає вигляд
/>,(6.4)
де/> - статичні похибкивимірювально-перетворювального тракту.
ЗАКЛЮЧЕННЯ
У курсовій роботі розробленокомп’ютеризовану вимірювальну систему вимірювання залежності кутової швидкостівід часу валу електромеханічних перетворювачів енергії.
Під час її виконання розробленоконструкцію первинного тахометричного перетворювача з низькочастотним вихіднимсигналом. Розроблено пристрій введення вимірювальної інформації до оперативногозапам’ятовуючогопристрою комп’ютера, який включає всебе аналого-цифровий перетворювач, порт уведення-виведення.
Розроблено алгоритм роботикомп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутовоїшвидкості від часу
Розроблений пристрій та первиннийтахометричний перетворювач мають широки межі застосування. Тахометричнийперетворювач має безперервний аналоговий вихідний сигнал, прямо пропорційнийкуту повороту, що дозволяє шляхом диференціювання (аналогового чи цифрового)отримувати вимірювальну інформацію про кутову швидкість.