Курсовая работа (т): Цифровой манометр

Цифровой манометр

Министерство образования и науки Российской Федерации

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ

Филиал «Восток»

Кафедра Приборостроения

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине

«Электроника и микропроцессорная техника»

«Цифровой манометр»

Выполнил: ст. группы 21401

Никоноров А.А.

Проверила: ст.пр. Шиндор О.В.

г. Чистополь, 2015

Введение

Манометр - прибор, измеряющий давление жидкости или газа.

Принцип действия манометра основан на уравновешивании измеряемого давления силой упругой деформации трубчатой пружины или более чувствительной двухпластинчатой мембраны, один конец которой запаян в держатель, а другой через тягу связан с трибко-секторным механизмом, преобразующим линейное перемещение упругого чувствительного элемента в круговое движение показывающей стрелки.

Манометры бывают в основном 2 видов: аналоговые и цифровые.

Большинство отечественных и импортных манометров изготавливаются в соответствии с общепринятыми стандартами, в связи с этим манометры различных марок заменяют друг друга. При выборе манометра нужно знать: предел измерения, диаметр корпуса, класс точности прибора. Также важны расположение и резьба штуцера.

Манометры применяются во всех случаях, когда необходимо знать, контролировать и регулировать давление. Наиболее часто манометры применяют в теплоэнергетике, на химических, нефтехимических предприятиях, предприятиях пищевой отрасли.

Довольно часто корпуса манометров, служащих для измерения давления газов, окрашивают в различные цвета. Так манометры с голубым цветом корпуса предназначены для измерения давления кислорода. Жёлтый цвет корпуса имеют манометры на аммиак, белый - на ацетилен, тёмно-зелёный - на водород, серовато-зелёный - на хлор.

1. Синтез ПЧНС

Для реализации цифрового манометра требуется цифровой преобразователь, который предназначен для преобразования непрерывной величины X в числовой эквивалент N.

Удобнее всего реализовать цифровой манометр на цифровом измерительном преобразователе частоты (ЦИПЧ).

Требуется реализовать преобразователь частоты поступающей с частотного датчика давления.

Суть метода ПЧНС: берется интервал времени  и определяется число периодов  измеряемой частоты, которые укладываются в данном интервале времени. Таким образом, числовой эквивалент формируется в виде  - уравнение ПЧНС. Можно заметить, что в данном случае роль коэффициента пропорциональности  выполняет интервал времени .

Преобразователь состоит из датчика и ПЧНС

Рис.1. Структурная схема цифрового манометра

Технические условия

1.      Назначение: выработка числового эквивалента по давлению при работе с частотным датчиком давления.

2.      Диапазон давления, кПа: 0,02…380

3.      Характеристика датчика имеет вид

4.      Допустимая приведенная погрешность преобразователя, %: 0,8

5.      Допустимое время преобразования, с: 0,95

6.      Выход - цифровая индикация в кПа, цифровой двоичный код уровня ТТЛ.

7.      Элементная база - ИМС серии 561.

.        Регистр с динамическим управлением.

интервал цифровой информация параметр

1.1 Приведение технических условий к стандартному виду

Для того чтобы начать расчет преобразователя частоты непрерывного счета необходимо привести технические условия к стандартному виду.

1. Определяю диапазон измеряемой величины , по формуле:

. Так как погрешность измеряемого диапазона задана в виде допустимой приведенной погрешности, то сначала необходимо перевести её в доли, а затем привести её к абсолютной погрешности преобразования

·        перевод относительной погрешности в доли

·        приведение относительной погрешности к абсолютной

. Время преобразования

. Требуется выработать числовой эквивалент по давлению при работе с частотным датчиком давления

5. ИМС серии 561.

1.2 Технические требования в стандартном виде

1.      Диапазон измерения  1500,036…2184 Гц

.        Абсолютная погрешность измерения

.        Время преобразования

.        Числовой эквивалент по давлению при работе с частотным

датчиком давления имеет характеристику

5.      ИМС серии 561

1.3 Анализ масштабных ограничений

Эти ограничения применяются, когда вырабатываемый ЧЭ должен отвечать требованиям удобства съема информации с преобразователя. Масштабные ограничения накладываются на некоторые физические параметры преобразователя.

В нашем случае масштабное ограничение накладывается на tф.

- идеальная характеристика

 - реальная характеристика

Приравнивая обе характеристики получим:

Т.е. для того чтобы вырабатывать числовой эквивалент в требуемом виде, интервал времени tф должен выбираться из ряда масштабных значений:

.4 Анализ суммарной погрешности

Уравнение суммарной погрешности состоит из погрешности квантования, погрешность вызванная нестабильностью квантующей частоты, погрешности привязки и имеет вид:

Таким образом, имеется одно уравнение с четырьмя неизвестными:  и необходимо определить их таким образом, чтобы оно выполнялось во всем диапазоне частот fx.

1.      Проанализируем составляющую погрешности вызванную погрешностью квантования:

Неравенство содержит две неизвестных, но погрешность квантования может принимать значение ±1, либо±0,5. Проанализируем оба варианта:

а) , следовательно:

Кроме точностных, на величинунакладываются еще и масштабные ограничения, т.е. полученное значение  необходимо увеличить до ближайшего масштабного значения, следовательно, .

б) , следовательно

Учитывая масштабные ограничения,, , поэтому ограничение по быстродействию выполняется и, следовательно, этот вариант можно рассматривать дальше.

Таким образом, получены значения:

 и

2. Проанализируем составляющую, вызванную нестабильностью квантующей частоты, отбросив последнюю составляющую, а определенные составляющие будем считать константами:

Целесообразно использовать генератор с кварцевой стабилизацией частоты, так как нестабильность выработки опорной частоты у такого генератора меньше, чем у генератора с ударным возбуждением. По справочнику для генераторов с кварцевой стабилизацией частоты выберем:

3. Проанализируем составляющую, вызванную погрешностью привязки:

Полученное значение удовлетворяет требованиям предельного быстродействия заданной элементной базы. Для КМОП, т.е. условие выполняется.

Таким образом определены основные параметры, при которых погрешность укладывается в пределы допуска и удовлетворяет ограничению по быстродействию. Следовательно, ПЧНС может быть реализован.

.5 Расчет дополнительных параметров

Определим некоторые дополнительные параметры:

. Параметры УФИВ (расчет коэффициента формирования Nф):

Таким образом, получили коэффициент формирования, для того чтобы аппаратные затраты были наименьшими реализуем ФИВ на двоичных счетчиках, для этого нужно число 1100 перевести из десятичной в двоичную систему счисления.

То есть для реализации такого коэффициента формирования требуется 11 разрядов, то есть 3 корпуса двоичных счетчиков.

2.      Ёмкость выходного счетчика :

Следовательно необходимо 4 корпуса 2-10ых счетчиков.

Таким образом, получены следующие конструктивные параметры преобразователя:

1.      Погрешность квантования:

.        Допустимое время преобразования: tфп=0,55 сек ()

.        Составляющая погрешности от нестабильности опорной частоты

δfоп=1·10-5

4.  Опорная частота fоп=2 кГц

5.      Коэффициент формированияNф=1100 - 3 двоичных счетчика

.        Ёмкость выходного счетчикаNсч=1204,20 - 4 двоично-десятичных

счетчика

.        Схемотехническое проектирование ПЧНС

Для реализации ПЧНС используем следующие функциональные узлы:

.        Генератор квантующей или опорной частоты. Это аналоговый узел, в нашем случае его разработка не требуется.

2.      УВП - для привязки измеряемого интервала времени сигнала  к опорной частоте

3.      ФИВ, вырабатывающий постоянный интервал времени

4.      Счетчик СТ (выходной). Это двоично-десятичный четырехразрядный счетчик, предназначенный для подсчета количества периодов измеряемой частоты, укладывающейся в интервале времени . Вырабатывает числовой эквивалент в двоично-десятичном коде.

.        Регистр RG, предназначенный для хранения информации, вырабатываемой в счетчике, в промежутках между преобразованиями.

.        Устройство отображения информации УОИ. Предназначено для преобразования выходной информации регистра в цифровую информацию. Включает преобразователь двоично-десятичного кода в код управления индикатором и элементы индикации.

.        Входной формирователь F - для формирования сигналов заданного уровня и крутизны фронтов.

.        Узел управления преобразователя УУП - для управления всеми элементами преобразователя.

9.   Устройство начальной установки УНУ, предназначенное для установки всех узлов преобразователя в заданное начальное состояние при подаче питающего напряжения или по желанию оператора.

2.1 Разработка электрических схем каждого узла

Определим набор функциональных узлов, применяемых при проектировании ПЧНС:

. Генератор квантующей или опорной частоты (GQ с f0). Это аналоговый узел непосредственно в нашем случае его разработка не требуется.

. УВП - для привязки измеряемого интервала времени tx сигнала αx к опорной частоте f0.

3. ФИВ, вырабатывающий постоянный интервал времени

4. Счетчик СТ (выходной) 2-10ый, 4-ех разрядный. Для выработки числового эквивалента в двоично-десятичном коде.

. Регистр RG для хранения информации, вырабатываемой в СТ, в промежутках между преобразованиями.

. Устройство отображения информации УОИ предназначено для преобразования выходной информации регистра в цифровую информацию. Включает преобразователь двоично-десятичного кода в код управления индикатором и элементы индикации.

. Входной формирователь F - для формирования сигналов заданного уровня и крутизны фронтов.

. Устройство начальной установки - для установки всех узлов преобразователя в заданное начальное состояние при подаче питающего напряжения или по желанию оператора.

. Узел управления преобразователя УУП - для управления всеми элементами преобразователя.

.1.1 Разработка генератора опорной частоты

Аналоговый узел, имеющий типовую схему, поэтому разработка его не требуется. Требуется реализовать генератор, вырабатывающий , .

Очевидно, что применять генератор с ударным возбуждением нецелесообразно, поэтому строим преобразователь только с использованием генератора с кварцевой стабилизацией частоты. Эти генераторы обладают очень высокой стабилизацией вырабатываемой частоты. Такие генераторы выполняются в виде типовых схемотехнических решений, обычно на базе логических элементов, резисторов и конденсаторов с включением кварцевых резонаторов. В нашем случае выбираем кварцевый резонатор 1Г 28x155..Таким образом, необходимо установить формирователь для обеспечения качества сигнала  по фронтам уровня и искажениям.