Реостатный измерительный преобразователь
АЦП работает по следующему принципу: входное напряжение одновременно подается на неинвертирующие входы компараторов, которые производят сравнение этого сигнала с напряжениями, поступающими с резистивного делителя напряжений на инвертирующие входы, в момент подачи стробирующего сигнала на тактовый вход. Дешифратор преобразует код, поступающий с выходов компараторов в двоичный код. Код с выхода… Читать ещё >
Реостатный измерительный преобразователь (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра: «Автоматизация производственных процессов»
Контрольная работа по дисциплине «ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ»
Волгоград 2011 г.
1. Конструкция реостатного измерительного преобразователя и принцип его работы
2. Схемы включения реостатного преобразователя в измерительную цепь и положительное действие этих схем
3. Структурная схема преобразования аналогового сигнала с измерительного преобразователя в цифровую форму
4. Принцип работы параллельного АЦП, преобразующего выходной сигнал с преобразователя в цифровую форму Список используемой литературы
1. Конструкция реостатного измерительного преобразователя и принцип его работы
ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ (РЕОСТАТНЫЕ) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Такие измерительные преобразователи широко используются в различных измерительных системах и системах автоматики и служат для преобразования линейных или угловых перемещений (входной сигнал) в электрическое напряжение (выходной сигнал). Потенциометрические измерительные преобразователи представляют собой проволоку, намотанную виток к витку на каркас и подвижный ползунок (рис. 1).
Рис. 1. Реостатный измерительный преобразователь
Полное сопротивление реостатного измерительного преобразователя:
(1)
где R0 — сопротивление одного витка преобразователя; - удельное сопротивление материала проволоки; - длина одного витка; - площадь поперечного сечения витка; w — количество витков.
Подставляя в (1)
;; ,
где: t — шаг одного витка, d — диаметр проволоки, D — диаметр каркаса.
Потенциометрические измерительные преобразователи имеют дискретность преобразования за счет минимально возможного изменения сопротивления на длину одного витка (рис. 2), определяемую шагом t. Следовательно, такие преобразователи имеют межвитковую погрешность.
.
Кроме того, погрешности преобразователя возможны от неоднородности по длине, непостоянства диаметра каркаса, влияния температуры. Чем выше удельное сопротивление с проволоки, тем выше чувствительность преобразователя. Поэтому в качестве материала проволоки в потенциометрическом измерительном преобразователе используется нихром, манганин, константан, вольфрам, платина и сплавы на основе серебра и никеля. В качестве каркаса используется керамика, фарфор и другие термостойкие изоляторы.
Рис. 2. Передаточные характеристики потенциометрического измерительного преобразователя: 1 — идеальная, 2 — реальная
Рис. 3. Схема последовательного включения реостатного измерительного преобразователя
Рис. 4. Функция преобразования потенциометрического преобразователя при его последовательном включении с нагрузкой
2. Схемы включения реостатного преобразователя в измерительную цепь и положительное действие этих схем
При последовательном включении потенциометрического измерительного преобразователя в цепь они изменяют силу тока в цепи по формуле
.
где — функция преобразования.
Функция преобразования графически представлена на рис. 4, ее вид нелинейный и зависит от соотношения и .
При, а при (2)
Выходное сопротивление падает по гиперболической зависимости, поэтому последовательное включение потенциометрического измерительного преобразователя с нагрузкой применяется редко из-за высокой нелинейности. Более распространенной является схема включения потенциометрического измерительного преобразователя и нагрузки по схеме представленной на рис. 5.
Рис. 5. Схема включения потенциометрического преобразователя (а) и его эквивалентная схема (б).
Рассматривая включение резисторов Rx и Rн, как параллельное, определим ток:
тогда напряжение на выходе преобразователя составит:
где — функция преобразования.
На рис. 6. а представлена зависимость напряжения на нагрузке, подключенной к потенциометрическому измерительному преобразователю по схеме, представленной на рис. 5. а. При холостом ходе (Rн > ?) зависимость линейная, с уменьшением нагрузки зависимость становится всё более нелинейной.
Рис. 6. Функция преобразования потенциометрического преобразователя (а), и его относительная погрешность (б)
На рис. 6. б показано изменение относительной погрешности преобразователя в зависимости от величины нагрузки и перемещения ползунка. Относительная погрешность определяется следующим образом:
;; ,
тогда .
Чувствительность схемы определяется изменением электрического параметра на преобразователе от минимально возможного изменения входного сигнала.
Рис. 7. К определению чувствительности потенциометрического измерительного преобразователя Ток, текущий в цепи:
,
.
Чувствительность по напряжению:
.
При условии >> получим
. (3)
Рис. 8. Зависимость мощности потребляемой преобразователем от положения ползуна (X~Rx)
Чувствительность по току:
.
Мощность, потребляемая преобразователем:
.
При этом допустимое напряжение питания:
где — максимальное сопротивление преобразователя.
3. Структурная схема преобразования аналогового сигнала с измерительного преобразователя в цифровую форму Измеримтельный преобразовамтель — техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. ИП или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.
Классификация По характеру преобразования:
Аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);
Аналого-цифровой измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
Цифро-аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.
По месту в измерительной цепи:
Первичный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;
Датчик — конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;
Детектор — датчик в области измерений ионизирующих излучений;
Промежуточный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.
По другим признакам:
Передающий измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;
Масштабный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.
По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.
Измерительные преобразователи предназначены для преобразования сигналов, поступающих от термопреобразователей сопротивления, термоэлектрических преобразователей, омических устройств и милливольтовых устройств постоянного тока в унифицированный электрический выходной сигнал постоянного тока 4−20 мА (линейный по температуре или входному сигналу).
Измерительный преобразователь применяется для линейного преобразования среднеквадратичного значения тока в унифицированный аналоговый выходной сигнал постоянного тока. Информацию дает среднее значение выходного сигнала. Измерительный преобразователь отличается от других видов преобразователей способностью выполнять преобразования с установленной точностью. Измерительный преобразователь, выходной сигнал которого предназначен для наблюдения за объектом, является измерительным прибором высокой точности.
Работа измерительного преобразователя протекает в условиях, когда помимо основного сигнала Х, связанного с измеряемой величиной, на него воздействуют множество других сигналов Zi, рассматриваемых в данном случае как помехи Рис. Структурная схема измерительного преобразователя (а) и его функция преобразования (б) Важнейшей характеристикой измерительного преобразователя является функция преобразования (рис. 5.4, б), которая описывает статические свойства преобразователя и в общем случае записывается в виде Y = F (X, Zi). Функция идеального измерительного преобразователя при отсутствии помех описывается уравнением Y = kX. Она линейна, безынерционна, стабильна и проходит через начало координат.
Реальная передаточная функция в статическом режиме имеет вид Y = k (1+ѓБ)X + ѓў0 + ѓў[F (X)] и может отличаться от идеальной смещением нуля ѓў0, наклоном ѓБ и нелинейной составляющей ѓў[F (X)].
Итак, для реализации основных операций управления необходимо аналоговый входной сигнал g (t) преобразовать в цифровую форму, т. е. представить его в виде последовательности кодов, поступающих с определенным тактовым интервалом (рис. 44). Такое преобразование включает в себя два этапа: амплитудное квантование и временное квантование.
рисунок — Амплитудное квантование сигналов Квантование по уровню заключается в округлении значений процесса g (t) до величин, представленных конечным числом разрядов. Этот процесс можно пояснить графиком, представленными на рисунке. Процесс с непрерывными значениями сравнивается по величине с расположенными через интервал D амплитудного квантования уровнями. При этом вместо g (t) выбирается номер ближайшего уровня квантования. Предположим, что динамический диапазон значений входного сигнала g (t) ограничен и составляет интервал (gmin, gmax). Очевидно, общее число N уровней квантования определяется по формуле
.
При заданном числе уровней квантования N можно определить необходимое число разрядов для передачи. Например, для наиболее часто встречающейся двоичной системы число разрядов n = log 2 N. Если, скажем, N = 1024, то необходимо применять десятиразрядный двоичный код.
При замене аналогового сигнала g (t) числом с конечным числом разрядов возникает случайная ошибка амплитудного квантования .
Диапазон возможных значений этой ошибки ограничен: — D/2<(t)
Поскольку =g (t)+ e (t), можно считать, что амплитудное квантование приводит к появлению дополнительной помехи e (t) с дисперсией. Таким образом, эквивалентная схема процесса амплитудного квантования может быть представлена в виде:
Число уровней квантования обычно выбирают исходя из анализа действия этой дополнительной помехи e (t) на систему управления. Обычно применяют стандартные схемы преобразования аналоговых сигналов в 8-, 10-, 12- или 16 — разрядный двоичный код. При этом соответственно число уровней квантования 28 = 256, 210 = 1024, 212 = 4096 или 216 = 64 000.
При использовании цифровой обработки аналоговый сигнал должен быть сначала преобразован в цифровой с помощью таких операций, как дискретизация по времени и дискретизация по уровню (квантование). После обработки с помощью цифровых фильтров, цифровой сигнал преобразуется снова в аналоговый. Таким образом, структурную схему цифровой обработки аналогового сигнала можно представить в следующем виде Блоки дискретизации по времени и квантования по уровню образуют аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Дискретизация осуществляется с помощью специального ключа, работающего с периодом Т от опорного высокостабильного генератора. На выходе ключа из аналогового сигнала образуется последовательность коротких импульсов с амплитудами, равными сигналу s (t) в момент отсчета. При квантовании по уровню каждый отсчет измеряется и преобразуется в кодовое слово — двоичное число, составленное из n разрядов, каждый из которых представлен нулем или единицей (например, паузой или стандартным импульсом). Число уровней квантования равно 2n
4. Принцип работы параллельного АЦП, преобразующего выходной сигнал с преобразователя в цифровую форму реостатный преобразователь сигнал регулятор В зависимости от области применения АЦП их основные характеристики (точность, разрешающая способность, быстродействие) могут существенно отличаться. При использовании АЦП в измерительных устройствах главную роль играет точность преобразования, а быстродействие этих устройств ограничено реальной скоростью регистрации результата измерения. При использовании АЦП в качестве устройства ввода измерительной информации в ЭВМ от него требуется быстродействие в большей степени. Широкое применение АЦП в различных областях науки и техники явилось предпосылкой создания разных структур АЦП, каждая из которых позволяет решить определенные задачи, предъявляемые к АЦП в каждом конкретном случае. Из всего многообразия существующих методов аналого-цифрового преобразования в интегральной технологии нашли применение в основном три:
1) метод прямого (параллельного) преобразования;
2) метод последовательного приближения (поразрядного уравновешивания);
3) метод интегрирования. Каждый из этих методов позволяет добиться наилучших параметров (быстродействия, разрешающей способности, помехоустойчивости и т. д.).
Большинство высокоскоростных осциллографов и некоторые высокочастотные измерительные приборы используют параллельные АЦП из-за их высокой скорости преобразования, которая может достигать 5 Г (5*109) отсчетов/сек для стандартных устройств и 20 Г отсчетов/сек для оригинальных разработок. Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разрядов, но встречаются также 10-ти разрядные версии.
Параллельные АЦП в основном состоят из следующих узлов: делитель опорных напряжений, выполненный на резисторах R; набор компараторов напряжения; дешифратор; выходные каскады. Для получения более высокой полосы пропускания, при сохранении чувствительности, компараторы делают стробируемыми (рис 9). Возможно стробирование и других блоков.
АЦП работает по следующему принципу: входное напряжение одновременно подается на неинвертирующие входы компараторов, которые производят сравнение этого сигнала с напряжениями, поступающими с резистивного делителя напряжений на инвертирующие входы, в момент подачи стробирующего сигнала на тактовый вход. Дешифратор преобразует код, поступающий с выходов компараторов в двоичный код. Код с выхода дешифратора поступает на выходные каскады, которые преобразуют внутрисистемные уровни в стандартные уровни ЭСЛ, ТТЛ или КМОП. Также выходные каскады могут содержать интерфейсные схемы для связи с микропроцессорами.
Параллельные АЦП — достаточно быстрые устройства, но они имеют свои недостатки. Из-за необходимости использовать большое количество компараторов параллельные АЦП потребляют значительную мощность, и их нецелесообразно использовать в приложениях с батарейным питанием.
На рисунке показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.
1. Технические измерения и приборы Б. В. Лесной, Е. В. Стегачев, И. Е. Грязнов Часть 1 Учебное пособие. электронный вид. «Политехник». Волгоград 2008
2. Технические измерения и приборы Б. В. Лесной, Е. В. Стегачев, И. Е. Грязнов Часть 2 Учебное пособие. электронный вид. «Политехник». Волгоград 2008.
3. Электрические измерения неэлектрических величин. Измерительные преобразователи. П. В. Новицкий. Энергоатомиздат, Л. 1983, 320с.