Разработка системы автоматического контроля уровня сыпучих материалов в цилиндрическом резервуаре

76

Дипломная работа

Разработка системы автоматического контроля уровня сыпучих материалов в цилиндрическом резервуаре

Реферат

Дипломный проект 127 с., 33 рис., 11 табл., 23 источника, 1 прил.

УЛЬТРАЗВУК, УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ, ТЕРМОДАТЧИК, 1-Wire, ИМПУЛЬС, ГЕНЕРАТОР.

Объектом разработки является система, измеряющая уровень сыпучих материалов при помощи излучения и приёма отражённого ультразвукового сигнала.

Целью настоящей разработки является проектирование системы, выбор схемы прибора, написание для него программного обеспечения. А также, обеспечение лёгкости в эксплуатации этого прибора.

В процессе проектирования системы проводилась настройка аналоговой части устройства. Обработка данных была симулирована в специализированной программе компьютера по разработке программного обеспечения для AVR микроконтроллеров.

Данная система контроля имеет широкий круг применения в промышленности и быту. Имеет нейтральное воздействие на исследуемый материал и пожаробезопасен.

Пояснительная записка к дипломному проекту выполнена в текстовом редакторе Microsoft Word 2007.

Abstract

The degree project 127 with., 33 fig., 11 tab., 23 sources, 1 enc.

ULTRASOUND, ULTRASONIC FLUCTUATIONS, THERMODE, 1-Wire, THE IMPULSE, THE GENERATOR.

Object of development is the system measuring a level of loose materials by means of radiation and reception of the reflected ultrasonic signal.

The purpose of the present development is designing system, a choice of a circuitry of the instrument, a writing for it the software. And also, maintenance of ease in operation of this device.

During designing system adjustment of an analog part of the device was spent. Data processing has been feigned in the specialized program of a computer on development of the software for AVR microcontrollers.

The given monitoring system has the broad audience of application in the industry and a life. Has neutral influence on an investigated material and it is fireproof.

The explanatory note to the degree project is executed in text editor Microsoft Word 2007.

1. Введение

Управление технологическими процессами во многих отраслях промышленности связан с измерениями уровня жидкости или сыпучих материалов в тех или иных резервуарах, цистерн и т.д. Современные системы автоматизации производства требуют статистических и информационных данных, позволяющие оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность использования сырья (расходомеры). Это постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в системах контроля не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное измерение.

В последнее время контроль за уровнем жидких продуктов в технологических емкостях приобрёл особо важное значение с точки зрения обеспечения безопасности производства и точного автоматизированного учёта ресурсов и материалов. Для решения этой задачи перспективным является использование уровнемеров. К приборам для измерения уровня заполнения ёмкостей и сосудов предъявляются различные требования: в одних случаях требуется только сигнализировать о достижении определённого предельного значения, в других необходимо проводить непрерывное измерение уровня заполнения. Существует широкая номенклатура средств измерения уровня, использующих различные физические методы. Наибольшее распространение получили локационные ультразвуковые и радиолокационные уровнемеры, обеспечивающие наилучшие точностные характеристики. При выборе уровнемера необходимо учитывать такие химические и физические свойства контролируемой среды, как температура, влажность (для воздуха), вязкость, сыпучесть, электрическая проводимость и др.

Однако, применение ультразвука не ограничивается уровнемерами и расходомерами, он также очень широко применяется в медицине для выявления различных заболеваний и отклонений размеров, функций каких - либо органов и частей организма; для сварки полимеров и др. Но «медицинский» ультразвук высокочастотный (до 10МГц), в отличие от промышленного ультразвука (обычно от 30 кГц до 500 кГц).

В нашем случае рассматривается только промышленный ультразвук. Ультразвуком также «просвечивают» сварные швы труб различных трубопроводов на выявление дефектов в швах, так как этот метод контроля, в отличие от рентгеновского метода, безопасный. Но зачастую для выявления микротрещин на поверхностях труб применяют магнитный метод, основанный на намагничивании трубы и просмотр магнитного поля на его изменения, где присутствуют микротрещины.

Ультразвук также применяется на автомобилях для измерения расстояния до соседних автомобилей в потоке машин, а также при парковке автомобиля для безопасности маневрирования.

При необходимости измерения плотности или вязкости жидкостей также применяется ультразвуковой метод. Так как при разных плотностях жидкости скорость распространения звука разная, что является информационным параметром. Здесь измеряется время между испускающими импульсами и приёмными, при известной длине или высоте ёмкости, в которой находится жидкость.

2. Основные методы непрерывного измерения уровня

Приборы для непрерывного контроля уровня жидких и сыпучих материалов создаются с применением различных физических принципов и методов измерения (таблица 2.1).

Таблица 2.1 - Методы непрерывного измерения уровня

Метод	Непрерывное измерение
	Жидкости	Сыпучих материалов
Гидростатический	да	Нет
Ультразвуковой	да	Да
С использованием погружных зондов	да	Нет
Кондуктивный	да	Нет
Емкостной	да	Нет

2.1 Гидростатический метод

Данный метод измерения уровня основан на определении гидростатического давления, оказываемого жидкостью на дно резервуара. Величина гидростатического давления на дно резервуара зависит от высоты столба жидкости над измерительным прибором (h) и от плотности жидкости (с): соответственно , где g = 9,8 м/c2 (это справедливо только для неподвижных жидкостей).

Пьезорезистивный тензодатчик (или ёмкостной керамический измерительный преобразователь, который не заполнен усредняющем давление веществом) связан с жидкостью через изолирующую мембрану из нержавеющей стали и вещество, усредняющее давление. Выходной сигнал тензодатчика преобразуется формирователем в сигнал, соответствующий уровню жидкости.

Пена, отложения, изменения электрических свойств жидкости и форма резервуара не оказывают влияния на результат измерения при реализации гидростатического метода.

Достоинства:

точность измерения;

применим для загрязнённых жидкостей;

реализация метода не предполагает передвижение резервуара;

соответствующее оборудование не нуждается в сложном техническом обслуживании.

Недостатки:

движение жидкости вызывает изменение давления и приводит к ошибкам измерения уровня (давление относительно плоскости отсчёта зависит от скорости потока жидкости - следствие закона Бернулли);

атмосферное давление должно быть скомпенсировано;

изменение плотности жидкости может быть причиной ошибки измерения.

2.2 Метод с использованием погруженных зондов

Принцип работы этих зондов основан на следующем: постоянный магнит, смонтированный на поплавке зонда, вызывает срабатывание герметизированных контактов, установленных на направляющей трубе. При срабатывании эти контакты включаются между последовательно включёнными резисторами внутри направляющей трубы: таким образом, при перемещениях поплавка общее значение сопротивление изменяется квазинепрерывно, в зависимости от разрешающей способности зонда. Точность измерения не зависит от свойств среды, а также от давления, температуры и плотности.

Достоинства:

простой принцип действия;

несложный монтаж;

не нуждаются в сколь - нибудь значительном обслуживании;

не требуется регулировка в месте установки.

Недостатки:

подъёмная сила зависит от размера поплавка;

фактическое положение уровня, соответствующее точке

срабатывания;

можно использовать только в очищенных жидкостях [4].

2.3 Кондуктивный метод

Этот метод основан на измерении силы тока. При пустом резервуаре сопротивление между двумя электродами бесконечно велико; при погружении концов электродов в проводящую среду сопротивление уменьшается соответственно величине её проводимости. Область применения метода распространяется исключительно только на контроль уровня проводящих жидкостей. Следовательно, уровень сыпучих или вязких материалов измерять указанным методом нельзя. Необходимо наличие у контролируемого вещества определённой минимальной проводимости, чтобы при измерении уровня кондуктометрическим методом можно было получить различимый сигнал изменения тока.

Настоящий метод применяют главным образом для измерения предельного уровня в цистернах, баках и паровых котлах. Воспламеняющиеся жидкости, такие как различные виды топлива, масла и растворители, являются диэлектриками, поэтому этот метод неприменим в отличие от кислот и щелочных растворов, содержащих воду и являющихся проводниками.

При реализации кондуктометрического метода два электрода устанавливаются выше поверхности проводящей жидкости, уровень которой контролируется. Когда жидкость достигает той точки, где оба электрода контактируют с жидкостью, электрический ток вызывает срабатывание реле.

На основе данного метода может быть легко реализовано определение не только предельного, но и межфазного уровня; например, достаточно просто выявить границу между водой и непроводящей жидкостью.

Достоинства:

простота и прочность;

отсутствие движущихся механических частей;

нечувствительны к турбулентности;

простая регулировка и обслуживание;

технологическим процессом допускаются высокая температура и

давление.

Недостатки:

непригодны для клейких веществ и диэлектриков;

масляные вещества могут вызвать налипание на электроды

тонкие слоя непроводящего покрытия, что может стать причиной отказа. [4].

2.4 Емкостной метод

Название метода предполагает, что в его основе лежит определение изменений электрической ёмкости в зависимости от уровня наполнения резервуара. Конденсатор образован стенкой резервуара и щупом, погружённым в его содержимое. Измерение ёмкости осуществляют, как правило, при помощи резонансных схем или мостов переменного тока с самоуравновешиванием. В точном определении уровня решающую роль играют конструкция, изоляция, правильное размещение ёмкостного зонда. поэтому необходимо учитывать следующие факторы: изоляцию зонда, форму резервуара, давление в нём же, температуру контролируемого материала, его зернистость, абразивность, вязкость и т.д.

Измерительный зонд выполнен из проволочного тросика, металлического стержня или трубки.

Достоинства:

простота установки и эксплуатации;

многофункциональность применения;

возможность использования с клейкими веществами;

активная компенсация влияния раскачивания зонда.

Недостатки:

появление пленки на электродах приводит к возникновению

погрешности измерения.

2.5 Ультразвуковой метод

Методы, основанные на измерении времени прохождения сигнала. При известной скорости распространения импульса и измеренном временном интервале можно вычислить расстояние, пройденное импульсом. Необходимо учитывать, что импульс проходит расстояние между излучателем и поверхностью контролируемой среды дважды.

В простейшем и наиболее распространённом случае, когда датчик расположен в верхней точке резервуара, уровень среды вычисляется как разность между высотой резервуара и расстоянием между датчиком и поверхностью среды. Это расстояние вычисляется по измеряемому времени которое необходимо ультразвуковому импульсу для прохождения пути от датчика до поверхности контролируемой среды и обратно (рисунок 2.1).



Рисунок 2.1 - Ультразвуковой метод

, (2.1)

где Vs - скорость распространения ультразвука в данной среде (воздух). Однако необходимо помнить, что на скорость распространения звука оказывает влияние температура воздуха.

Кроме того, будучи сильно зависимой от температуры, скорость ультразвука зависит от давления воздуха: она увеличивается с ростом давления. Связанные с изменениями давления в нормальной атмосфере относительные изменения скорости звука составляют порядка 5%. Скорость звука также зависит и от состава воздуха, например, от процентного содержания СО2 и влажности. Влияние относительной влажности на скорость ультразвука является меньшим по сравнению с влиянием, оказываемой температурой и давление.

Достоинства:

бесконтактный;

применим для загрязнённых жидкостей;

реализация метода не предъявляет высоких требований к износостойкости оборудования;

независимость от плотности контролируемой среды [4, 8].

Недостатки:

большое расхождение конуса излучения;

отражения от нестационарных препятствий;

применим только в резервуарах с нормальным давлением.

3. Основы ультразвука

3.1 Природа получения ультразвука

Упругие механические колебания, распространяющиеся в воздухе, воспринимают обычно как звуки. Это акустические колебания. Если их частота более 20000 Гц, т.е. выше порога слышимости для человеческого уха, то такие колебания называют ультразвуковыми (УЗК). В дефектоскопии применяют частотный диапазон 0,5 - 10 МГц.

Упругие колебания могут быть возбуждены в твёрдых, жидких, газообразных средах. При этом колебательное движение возбужденных частиц благодаря наличию упругих сил между ними вызывают распространение упругой УЗ - волны, сопровождаемое переносом энергии.

Для получения УЗ - колебаний применяют пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромагнитно - акустические и другие преобразователи. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из пьезокерамических материалов или из монокристалла кварца. На поверхности пьезопластины наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. При подаче на электроды напряжения пластина изменяет свою толщину вследствие так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим напряжением, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель. И наоборот, если пластина воспринимает упругие колебания, то на её поверхности вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются электрические заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пластина работает как приёмник. [1,2,3].

В живой природе ультразвук играет роль радара, при помощи которого животное (дельфин, летучая мышь) ориентируется в пространстве при охоте на добычу, а также при перемещении а полной темноте.

Акустическая информация играет важную роль в ориентации китов. Находясь в специфической для млекопитающих среде, слуховая система китообразных подвергается воздействию разного рода помех, вызванных особенностями водной среды: появление ложных целей из-за температурных особенностей океана, изменения плотности водных масс, звуки поверхностных вод (шум ветра, волн, дождя и т.д.), звуки рыб, позвоночных, беспозвоночных и самих китов. Благодаря своим физико-химическим свойствам, водная среда как канал передачи информации имеет ряд особенностей: скорость распространения акустических колебаний примерно в 5 раз превосходит таковую в воздухе, благодаря неоднородности воды по температуре, солености, насыщенности кислорода акустические сигналы могут распространяться не прямолинейно. Пороговая кривая слуха дельфина афалины, в общем, согласуется с распределением интенсивности океанических шумов по спектру. Это по существу обеспечивает отстройку по интенсивности от преобладающих шумов океана, максимальная интенсивность которых сосредоточена в низкочастотной области до 100 Гц и резко уменьшается уже на частоте 10 кГц. Слух дельфинов обеспечивает отстройку от большинства аддитивных шумов.

Как известно, в процессе охоты и ориентации дельфины излучают эхолокационные сигналы, которые представляют собой короткие импульсы с шириной спектра от 10 кГц до 200 кГц [1]. Кроме локационных акустических импульсов дельфины излучают свисты, лежащие в диапазоне до 50 кГц, часть диапазона свистов воспринимается человеком непосредственно на слух. Свисты изменяются или не изменяются по частоте, длительности, амплитуде акустического давления, наличием или отсутствием дополнительных гармонических составляющих, что также иногда слышно при прослушивании подводной обстановки. Несмотря на длительные исследования свистовых сигналов у китообразных, об истинном назначении этих сигналов имеются только предположения. В настоящей работе предпринята попытка, экспериментальным путём определить подходы к определению назначения свистовых сигналов у дельфинов [5].

Знание расстояния от раздела сред "вода-воздух", необходимо китообразным для обеспечения точного дыхательного акта "выдох-вдох". Во время преследования добычи эхолокационная система на коротких импульсах сигналах не может обеспечить биологическую систему информацией по всей сфере, т.к. данная система узконаправленная. Надо отметить, что при попадании дельфина в новые условия (пересадка животных из одного вольера в другой или в условия закрытого бассейна), дельфины изучают множество самых разнообразных свистов. При длительном пребывании животного в одной и той же акустической обстановке, акустическая палитра свистовых сигналов становятся значительно беднее. Что свидетельствует об адаптации биоакустической системы к данной помеховой обстановке [5].

В воде зрение теряет основную роль в анализе окружающей среды. На первое место выходит эхолокация, то есть активное "освещение" звуковыми импульсами и прием отраженных сигналов. Дельфины используя эхолокацию различают проволоку толщиной всего 0,15 мм, натянутую поперек бассейна. в котором они плавают, находят в воде шарики трехмиллиметрового диаметра, да еще безошибочно определяют материал, из которого они изготовлены (металл или пластмасса и пр.).

Максимальное количество информации о внешнем мире человеку дает зрение. Наверное, именно по этому очень многие нервные пути вегетативной системы тесно связаны со зрительными буграми - областью мозга, обрабатывающей зрительную информацию. У дельфинов основную информацию дает звук, и, аналогично, большинство путей вегетативной системы у них проходит через область мозга, связанную с эхолокацией.

Специалистами записаны странные звуки, которые издают некоторые виды китов. Со смущением говорят о них как о песнях. Объем мозга разрешает китам такие "излишества". В том, что связано с их жизненными потребностями, в символах своего языка, и киты, и дельфины имеют заслуживающий уважения интеллект. Вот только пищи у них предостаточно, нет необходимости использовать все разрешенные биологическим строением из мозга связи. Не исключено, что малочисленность врагов в среде обитания у китов и дельфинов могла закрепить биохимически в их нервной системе особенности, затрудняющие быструю защитную реакцию на добычу их человеком.

3.2 Типы и скорость ультразвуковых волн

Упругие волны характеризуются скоростью распространения С, длиной волны л, и частотой колебаний f. При этом под длиной волны понимается расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися с одинаковыми частотами (в одинаковой фазе). Число волн, проходящих в 1 секунду, называют частотой. Длина волны связана со скоростью её распространения соотношением:

. (3.1)

В качестве зависимости скорости ультразвука от температуры используется эмпирическая формула для сухого воздуха при нормальном давлении (1013гПа):

С = С0 + 0,59*t°, (3.2)

где С - текущее значение скорости;

С0 - значение скорости звука при температуре - 0С°;

t° - температура окружающей среды;

0,59 - коэффициент, имеющий размерность м/ С°*с.

В зависимости от направления колебания частиц различают несколько типов волн. Если частицы среды колеблются вдоль распространения волны, то такие волны называются продольными (волнами растяжения - сжатия). В случае, если частицы среды колеблются перпендикулярно к направлению распространения волны, то это волны - поперечные (волны сдвига). Поперечные волны могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвига. Поэтому в жидкой или газообразной средах образуются только продольные волны [1,11,2].

3.3 Выбор основных параметров

Тип волн определяется габаритами и формой контролируемого изделия, материала. Продольными или поперечными волнами контролируют изделия относительно большой толщины, в несколько раз большей длины волны. Продольные волны используют в том случае, если УЗК необходимо ввести перпендикулярно или под небольшим углом к поверхности; поперечные - если угол ввода должен быть небольшим (35 град. и больше).

Частоту УЗК выбирают с учётом затухания УЗК в материале и габаритов контролируемых изделий; для уровнемеров затухание характеризуется самой средой контроля. Чем выше частота, тем меньше длина волны в среде, и тем хуже отражение от поверхности материала (жидкость или сыпучий материал), так как волны, длина которых меньше размеров частиц материала, многократно отражаются от частиц и тем самым поглощаются в материале; а для дефектоскопов наоборот: чем меньше длина волны, тем лучше отражение от скрытых дефектов в изделии.

Мощность импульсов вводимых в среду устанавливают изменением длительности возбуждающего импульса [2].

3.4 Помехи при контроле ультразвуковом методом

При контроле эхо методом важно, чтобы пришедший сигнал был гораздо выше фона помех, шумов. Существует несколько видов помех:

электрические помехи связаны с работой различных контактных устройств, и другой аппаратуры. От электрических помех можно бороться шунтированием шин питания керамическими конденсаторами, экранированием прибора (усилителя и фильтров);

акустические внешние помехи возникают в результате трения или ударов по контролируемому изделию (для дефектоскопов). Для уровнемеров они не столь сильно важны;

помехи приёмника уровнемера (дефектоскопа) связаны с шумами элементов усилительного тракта. Эти помехи препятствуют увеличению коэффициента усиления и ограничивают значение регистрируемого прибором сигнала. Для их подавления применяют дифференциальные усилители на операционных усилителях или на дискретных элементах, а также снимают входное сопротивление усилителя, ставят фильтры;

шумы преобразователя появляются в связи с многократным отражением УЗ в пьезоэлементе, протекторе, слое контактной жидкости и затягивают действие зондирующего импульса. По мере удаления от зондирующего импульса эти помехи исчезают. Наименьшим уровнем помех обладают преобразователи раздельного типа;

ложные сигналы возникают в результате отражения УЗК от стенок резервуара. Эти сигналы мешают выявлению истинного сигнала на экране осциллографа;

структурные помехи связаны с рассеянием УЗК на структурных неоднородностях, крупинок сыпучего материала. Эти помехи называют структурной реверберацией. Сигналы в результате рассеяния УЗК на различных неоднородностях, приходят к приёмнику в один и тот же момент времени и складываются. В зависимости от фаз отдельных сигналов они могут взаимно усилиться или ослабить друг друга. Отличительной особенностью структурных помех является наличие большого количества импульсов на всей линии развёртки экрана осциллографа или на значительном её участке. Эти импульсы часто называют «травой». Такие сигналы быстро изменяют своё положение, исчезают и появляются при небольших перемещениях преобразователя (излучателя) [2].

3.5 Коэффициент затухания

Ослабление амплитуды плоской гармонической волны в результате взаимодействия её со средой происходит по экспоненциальному закону

,

где х - путь в среде,

- коэффициент затухания.

Величина, обратная коэффициенту затухания, показывает, на каком пути амплитуда волны уменьшается в е раз, где е - число Непера, поэтому затухание измеряется в м-1. коэффициент затухания складывается из коэффициентов поглощения дп и рассеяния др:

д = дп+др. (3.3)

При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии энергия остаётся звуковой, но ухолит из направленно распространяющейся волны.

В газах и жидкостях, не засоренных инородными частицами, рассеяние отсутствует, и затухание определяется поглощением. Коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В связи с этим в качестве характеристики поглощения звука в жидкости и газе вводят величину д'.

д'= , (3.4)

где д'- коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения в твёрдых телах пропорционален частоте или тоже квадрату частоты. Для одной и той же среды поглощение поперечных волн при постоянной частоте меньше, чем продольных.

4. Обзор существующих аналогов

На сегодняшний день для непрерывного контроля уровня сыпучих материалов при помощи ультразвука имеется аналоги проектируемого прибора.

Отечественным аналогам является прибор УЗУ-2Т - уровнемер ультразвуковой с каналом термокомпенсации. Он предназначен для измерение уровня без контакта с контролируемой средой с возможностью температурной компенсации скорости звука.

Данный прибор предназначен для локации снизу резервуара, что не подходит для нашего случая, потому что очень велико затухание УЗ в опилках и коэффициент прохождения УЗ через металлическую стенку днища резервуара в опилки составляет менее 1%.

Так же имеются и зарубежные аналоги, но существенным недостатком является то, что их стоимость в 10 раз превышает стоимость отечественных.

Характеристики данного прибора представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Характеристики аналога УЗУ-2Т

Форма представления информации	индикация на ЖК дисплее; выходной сигнал: 4...20 мА;
Контролируемая среда	жидкость, газ, аммиак, нефтепродукты и другие высокоагрессивные и взрывоопасные среды
Пределы измерения, м	0,2...3,2
Погрешность, %	±10 мм (возможно увеличение точности до + 3...5 мм)
Питание, потребляемая мощность	12...24 В
Монтаж	акустический датчик - под днищем емкости; термодатчик -в рабочей среде
Длина линии связи, м	определяется по месту
Исполнение	взрывобезопасное; АД - IExsIIT6; КК - ExdIIAT6; ТД - 2ExsIIT6
Состав	электронный блок - ЭБ; термодатчик -ДТ; акустический датчик -АД; прижимное устройство - ПУ; кабельная коробка - КК
Срок службы, лет	10

5. Выбор и обоснование схемы электрической структурной

5.1 Обоснование схемы

В данной схему входят две части: аналоговая и цифровая, как показано на рисунке 5.1.

Аналоговая часть состоит из последовательно включённых фильтров и усилителя на их выходе. Последовательно включённые фильтры образуют избирающий фильтр, настроенный на частоту излучения передатчика MA40B8S. Усилитель обладает высоким коэффициентом усиления и равен 60Дб.

Формирователь импульса прерывания предназначен для сообщения процессору о прекращении счёта времени прохода УЗ импульса от излучателя к приёмнику. Данное прерывание вызывает подпрограмму обработки собранной информации и вычисление расстояние через время пролёта и скорректированную скорость.

В схеме прибора имеется датчик температуры DS1821, выдающий информацию о температуре внутри резервуара. Связь датчика с микроконтроллером обеспечивается по шине MicroLAN (one wire - интерфейс). Микроконтроллер является ведущим устройством для данного датчика, поэтому контроль осуществляется процессором. О данном интерфейсе будет сказано ниже.

Генератор импульсов частотой 1 MHz предназначен для счёта времени пролёта УЗ импульса. Данный генератор выполнен логическом элементе 2И - НЕ с обратной связью, выполненной на кварце, что улучшает стабильность частоты. При частоте в 1MHz и при температуре 50°С получаем:

. (5.1)

Разрешение при частоте излучения передатчика в 40 kHz - 2 мм.

Рисунок 5.1 - схема электрическая структурная

На рисунке 5.1 показано, что процессор управляет и высокочастотным генератором УЗ импульсов. Генератор, в свою очередь, выполнен на компараторе LM311, работающий на электронный ключ, выполненный на MOSFET - транзисторе. Нагрузкой транзистора является импульсный трансформатор, а нагрузкой трансформатора является сам передатчик УЗ импульсов, т.е. ёмкостная нагрузка величиной в 2 нФ.

Индикация результата обработки информации статическая, т.е. применяются умощненные регистры хранения 74НС374 полученной ими информации от дешифратора CD4055. Процессор адресует определённый регистр и выдаёт информацию на его входы через дешифратор CD4055, и индикаторы высвечивают полученную информацию в виде цифр.

Для питания всей схемы используется встроенный стабилизированный источник питания с выходными напряжениями ±15В и +5В - для питания цифровых цепей. Стабилизация напряжений осуществляется интегральными стабилизаторами напряжения L7815 и L7915 предназначенные на напряжения +15В и -15В соответственно. А вот для питания цифровой части устройства применяется такая же микросхема, но предназначена на напряжение +5В. Также имеется в составе блока питания силовой трансформатор с тремя вторичными обмотками, рассчитанные на соответствующие выходные напряжения. Блок питания питается от сети переменного тока напряжением 220В и частотой 50Гц.

5.2 Описание шины 1-Wire

Шина 1 - Wire является основой сетей MicroLAN и разработана в конце 90 - х годов фирмой Dallas Semiconductor. Идея состояла в том, чтобы соединить между собой множество различных микросхем, расположенных на значительном расстоянии друг от друга, используя при этом всего один сигнальный провод. Разумеется, кроме сигнального провода для замыкания должен быть и обратный так называемый «общий провод». Все микросхемы должны подключаться к такой двухпроводной шине параллельно. И вот по этой линии, состоящей всего из двух проводников от одной микросхемы к другой, должна передаваться информация, как в прямом направлении, так и в обратном.

Характеристики шины:

максимальная протяжённость шины до 300 м;

скорость передачи информации, Кбит/с - 16.3;

максимальное количество адресуемых элементов на шине - 256;

уровни напряжений на шине соответствуют стандарту ТТЛ/КМОП уровням;

напряжение питания элементов, В - 2.8…6;

лля соединения микросхем, датчиков может применяться витая пара.

Шина MicroLAN, как и шина I2C, построена по технологии Master/Slave. На шине должно быть хотя бы одно ведущее устройство (Master). Все остальные устройства должны быть ведомыми (Slave). Ведущее устройство инициирует все процессы передачи информации в пределах шины. Передача информации от одного ведомого устройство к другому напрямую невозможна. Для этого ведущее устройство должно обращаться к одному ведомому устройству, а затем к другому, причём каждое ведомое устройство должно иметь свой индивидуальный ID - код, который заносится в специальную область микросхемы лазером. Такой код никогда не повторится.

Ещё одним замечательным свойством обладает данная шина: имеется возможность автоматического обнаружения только, что подключенного ведомого устройства. протокол 1 - Wire включает в себя специальную команду поиска, при помощи которой ведущее устройство может осуществлять автоматический поиск ведомых устройств. В процессе поиска Master определяет ID - коды для всех подключенных ведомых устройств. Поиск происходит путём постепенного отсеивания несуществующих адресов. Поэтому для того, чтобы найти все устройства, подключенные к шине требуется значительное время [12].

5.2.1 Схемная реализация 1-Wire интерфейса

Схема соединения ведущего устройства с ведомым однопроводной шиной 1 - Wire показана на рисунке 5.2, нагрузкой шины является сопротивление резистора R1. данный резистор обязан находится в непосредственной близости от ведущего устройства. С большим успехом можно применять микросхемы, у которых выходные каскады построены по КМОП технологии, вместо биполярных транзисторов в выходных каскадах. В режиме ожидания все выходные каскады закрыты. На шине присутствует напряжение логической единицы. Информация же передаётся по шине при помощи отрицательных импульсов.



Рисунок 5.2 - Схемная реализация 1-Wire Интерфейса

Источник тока ведомого устройства необходим для создания тока утечки, который, в свою очередь, создаёт нулевой уровень сигнала на внутренних элементах микросхемы или датчика при их отключении от шины 1 - Wire. Диод VD1,резистор R2, конденсатор C1: все эти элементы используются в режиме паразитного питания, т.е. микросхема или датчик могут запитываться от информационной шины. Однако, режим паразитного питания не всегда применим, а только при сверх малом потреблении энергии [12].

5.2.2 Синхронизация и побитная передача информации

Все операции на шине производятся только под управлением ведущего устройства. Оно может производить запись информации в ведомые устройства, а также их чтение. Информация передаётся побайтно, бит за битом, начиная с младшего бита. В любом из этих двух режимов ведущее устройство вырабатывает на шине тактовые сигналы. Для этого оно периодически «подсаживает» шину на землю при помощи выходных транзисторов своего 1 - Wire интерфейса. Полезная информация передаётся путём изменения длительности импульсов тактового сигнала.

Для надёжной работы шины необходимо, чтобы в процессе передачи информации всеми элементами сети, строго соблюдались временные параметры. Каждая микросхема или датчик, подключённые к сети, самостоятельно вырабатывают все необходимые для работы шины интервалы времени, причём для ведущего устройства эти требования более жёсткие, чем к ведомым.

76

Как видно из рисунка 3.3 величина интервала для передачи одного бита информации должна лежать в пределах от 60 мкс до 120 мкс. Длительность синхроимпульса лежит в пределах 1 мкс. Ведомое устройство, обнаружив на шине передний фронт синхроимпульса, должно сформировать задержку минимум на 15 мкс, и затем произвести проверку сигнала на шине. Допустимый разброс времени задержки для разных типов микросхем и датчиков лежит в пределах от 15 мкс до 60 мкс.

В режиме записи нулевого бита ведущее устройство вырабатывает только синхроимпульсы, длительность которых равна 1 мкс. Если читаемый бит равен нулю, то ведомое устройство продлевает длительность синхроимпульса. Минимальная длительность продлённого импульса составляет 15 мкс. Для этого временного интервала допускается довольно большой разброс. В пределах этого разброса длительность удлинённого импульса может вырасти до 45 мкс. Если же читаемый бит равен единице, то удлинения синхроимпульса не происходит. Для того, чтобы правильно оценить значение читаемого байта ведущее устройство должно прочитать уровень сигнала на шине сразу после окончания синхроимпульса, но не позднее, чем через 15 мкс [12].

5.2.3 Обнаружение присутствия на линии

Любой цикл обмена данными в сети MicroLAN начинается с импульса сброса (рисунок 5.4). Импульс сброса - это длинный отрицательный импульс на шине 1 - Wire, вырабатываемый ведущим устройством.

76

Временные параметры показаны на том же рисунке. С импульсом сброса, тесно связан ещё один служебный сигнал - сигнал присутствия на шине. Сигнал присутствия вырабатывает каждое ведомое устройство сразу же после окончания действия импульса сброса. Ведущее устройство должно проконтролировать наличие этого импульса. Если же сигнала присутствия нет, то значит, что на линии нет ни одного ведомого устройство.

Длительность импульса сброса должна быть не менее 480 мкс. Процесс передачи информации может начаться не ранее, чем 480 мкс после окончания действия импульса сброса. В этом временном интервале и ожидается появление сигнала присутствия. Для этого после окончания импульса сброса ведущее устройство «отпускает» линию и ждёт сигнала от ведомого устройства. Каждое ведомое устройство после обнаружения сигнала сброса выдерживает паузу на время 15…60 мкс, а далее оно « подсаживает» линию. Длительность импульса присутствия составляет 60…240 мкс. Ведущее ус - во проверяет сигнал нулевого уровня в середине этого временного интервала. Если сигнал обнаружен, то значит есть, хотя бы одно нормально работающее устройство.

Любая операция в сети начинается с команды. Команда представляет собой один байт информации. Каждая команда имеет свой собственны код. На рисунке 5.5 представлен протокол 1 - Wire интерфейса.

76

Ведущее устройство инициирует сброс, затем ведомое устройство выделяет сигнал задержки единичного уровня, далее: это же устройство инициирует сигнал присутствия на линии.

Ведущее устройство при обнаружении присутствия ведомого устройства на линии начинает посылать команду чтения или записи в регистры управления ведомого устройства. Затем ведущее устройство начинает посылать данные или принимать их.

По такому принципу работает шина 1 - Wire.

Для реализации такого интерфейса используется обычно вывод какого - либо порта для передачи команд термодатчику и приёма одного байта информации о температуре.

Все необходимые задержки формируются командами процессора [12].

5.3 Избирательные RC - усилители

Электрические фильтры находят широкое применение в радиотехнике и автоматике, измерительной и вычислительной технике, в акустике и сейсмологии. Они выполняют разнообразные функции: выделение и преобразование полезного сигнала, устранение помех и наводок в электрических цепях, анализ частотного спектра сигналов и шумов, коррекцию АЧХ высококачественных усилителей и обеспечение устойчивости систем автоматического регулирования.

До недавнего времени наиболее экономично и эффективно задачи фильтрации электрических сигналов решались с использование LC - фильтров. Однако на ряду с достоинствами (достаточной частотной стабильностью, связанной с малой чувствительностью параметров фильтров к разбросу L и C, низким уровнем шумов, возможностью простой реализации разнообразных частотных характеристик) LC - фильтры имеют ряд существенных недостатков: большие масса и габариты (особенно на низких частотах), сложность и высокая стоимость изготовления, малая помехоустойчивость к электромагнитным полям, нелинейность, связанная с насыщением материала магнитопровода. Несовременным представляется использование в радиоэлектронной аппаратуре экранированных катушек индуктивности, занимающую большую часть объёма и определяющих основную массу изделия. Попытки уменьшения габаритов катушек индуктивности не приносят положительных результатов, поскольку добротность уменьшается квадрату её линейных размеров. Именно поэтому все попытки реализации катушек индуктивности методами интегральной технологии привели к неудачам.

В РЭА фильтрацию электрических сигналов часто осуществляют с помощью электромеханических фильтров. По сравнению с LC- фильтрами имеют ряд достоинств: большая добротность, лучшую температурную и временную стабильность, меньшие габариты и массу на низких частотах. Широко применяются два типа электромеханических фильтров: пьезоэлектрические, механические.

С функциональной точки зрения электромеханические фильтры обладают ограниченными возможностями, поскольку представляют из собой полосовые или режекторные фильтры. Реализация других частотных характеристик возможна лишь при использовании дополнительных схемных элементов и компонентов: преобразователей, усилителей, конденсаторов, резисторов [3].

Достижения полупроводниковой техники и особенно микроэлектроники обусловили интенсивную разработку и широкое применение активных RC - фильтров, технология изготовления которых хорошо сочетается с технологией интегральных микросхем. Активные RC - фильтры обеспечивают возможность получения разнообразных частотных характеристик, имеют малые массу и габаритные показатели, особенно на низких и инфранизких частотах. Уступая в ряде случаев по параметрам электромеханическим фильтрам, активные RC - фильтры благодаря своей доступности и простоте реализации являются для разработчиков аппаратуры основным средством осуществления фильтрации электрических сигналов. Одним из их важных достоинств является возможность совмещения в одном устройстве функции фильтрации и усиления.

Активные RC - фильтры можно разделить на две группы: линейные и квазилинейные. В линейных активные элементы используются в линейном режиме. Принцип действия квазилинейных основан на использовании нелинейных характеристик отдельных активных элементов. Они, однако, имеют линейные амплитудные характеристики в определённом диапазоне входных сигналов. К числу квазилинейных фильтров можно отнести синхронные, квадратурные, цифровые, а также фильтры, выполненные на основе схем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Основной особенностью синхронных и квадратурных фильтров на основе схем ФАПЧ является преобразование спектра входных сигналов. При этом полоса пропускания фильтров в области высоких частот определяется узкой полосой пропускания используемых в них фильтров нижних частот. Это даёт возможность обеспечить получение добротностей до 120 дБ, т.е. даже больших, чем при использовании электромеханических фильтров.

Другими несомненными достоинствами подобных фильтров являются их принципиальная устойчивость и высокая стабильность резонансных частот, обеспечиваемая возможностью использования кварцевых генераторов. Недостатками фильтров являются их относительная сложность и невысокий динамический диапазон (50 - 60 дБ), что обусловлено их большим уровнем шумов.

В цифровых фильтрах осуществляется преобразование сигналов в цифровую форму, затем производятся арифметические действия с полученными цифрами, выполняемые по определённым алгоритмам. На завершающем этапе производится преобразование полученных цифр в аналоговый сигнал. Изменение спектрального состава входных сигналов определяется алгоритмами обработки цифрового кода. Обработка цифрового кода может производиться как в специализированном устройстве, разрабатываемом специально для цифрового фильтра, так и на ЭВМ а различных масштабах времени.

В РЭА примерно 80% случаев требуемое значение добротности не превышает 50. фильтры с такой добротностью могут быть просто реализованы на основе линейных активных RC - цепей.

Чаще всего линейные активные RC - фильтры строятся на основе звеньев второго порядка, имеющих узкополосный выброс АЧХ. Чем выше требования к крутизне АЧХ, тем большее число таких звеньев должно присутствовать в схеме фильтра.

Под полосовым RC - усилителем обычно понимают усилитель, состоящий из последовательного и параллельного соединений нескольких селективных RC - цепей и обеспечивающий преимущественное усиление сигналов в узкой полосе частот. полосовые и селективные RC - усилители объединяются общим понятием «избирательный RC - усилитель».

Выбор элементной базы является одним из важных этапов проектирования. При выборе активных элементов предпочтение в настоящее время следует отдавать усилительным микросхемам общего применения. Это позволит уменьшить габариты фильтров, снизить их стоимость и потребляемую мощность, повысить надёжность. Учитывая возможность многоцелевого использования активных RC - фильтров на основе усилительных микросхем общего применения позволяет обеспечит высокую степень унификации и стандартизации электронной аппаратуры.

Наиболее распространёнными усилительными микросхемами общего применения являются операционные и широкополосные усилители.

5.3.1 Классификация фильтров

Потенциально - устойчивые усилители

Селективная АЧХ в таких случаях может быть реализована различными путями. Один из них - введение в петлю отрицательной обратной связи двух минимально - фазовых цепей. В качестве минимально - фазовых цепей для получения селективной характеристики чаще всего используют дифференцирующие и интегрирующие цепочки.

В качестве минимально - фазовых цепей могут быть использованы также дифференциаторы и интеграторы, выполненные на основе усилителей напряжения. использование активных фазосдвигающих цепей в петле отрицательной обратной связи позволяет улучшить резонансную частоту, практически не зависимую от коэффициента усиления по петле обратной связи. В качестве примера приведена схема усилителя (рисунок 5.6), состоящая из дифференциатора, выполненного на усилителе, резисторе R2, конденсаторе С1 и включенного совместно с дифференцирующей цепочкой R1C2 в петлю общей отрицательной обратной связи. При большом коэффициенте усиления резонансная частота не зависит от коэффициента усиления.

Рисунок 5.6 - Схема усилителя

Второй путь построения потенциально - устойчивых усилителей заключается в охвате усилителя частотно - зависимой положительной обратной связью. При этом, чтобы избежать возможности самовозбуждения усилителя, усилительный каскад охватывают 100% - ой отрицательной обратной связью (рисунок 5.7). В цепь положительной обратной связи введены дифференцирующие цепи, состоящие из элементов R1 C1, и интегрирующая цепь R2C2.

Увеличить добротность схем можно, преобразуя потенциально устойчивые схемы в потенциально неустойчивые. Добиться этого можно, сняв определённые ограничения, необходимые для получения потенциально устойчивых схем. Например, если использовать не две, а большее количество минимально - фазовых цепей в петле отрицательной обратной связи, то добротность схемы принципиально можно получить сколь угодно большой. При этом естественно, следует помнить, что усилитель может возбуждаться при охвате годографом точки -1 [10].



Рисунок 5.7 - Схема усилителя с отрицательной обратной связью

Потенциально - неустойчивые усилители

Положительное качество потенциально неустойчивых схем заключается в возможности получения высоких добротностей при сравнительно малых коэффициентах усиления активных элементов. Это и определило преимущественное использование потенциально - неустойчивых схем в период ламповой и частично-транзисторной электроники. К селективным усилителям относятся схемы на ТТ - мосте (режекторный фильтр) и узко - полосный усилитель.

При использовании симметричного моста добротность схемы равна ? коэффициента усиления, а несимметричного ? коэффициента усиления по петле обратной связи. Это обеспечивало получение добротностей порядка 100 - 300. основной недостаток этих схем заключается в большой чувствительности их добротности к вариациям пассивных элементов. Большая чувствительность добротности к вариациям пассивных элементов приводит к трудностям настройки схемы, перестройки резонансных частот. Например, для настройки усилителя на 2Т - мосте не другую резонансную частоту необходимо менять два элемента моста, что существенно усложняет и делает трудоёмким процесс получения необходимых параметров [10].

К полосовым и режекторным фильтрам также относится мост Вина, включённый в цепь обратной связи усилителя (рисунок 5.8, 5.9).



Рисунок 5.8 - Мост Вина включённый в цепь обратной связи усилителя

Рисунок 5.9 - Мост Вина включённый в цепь обратной связи усилителя

6. Выбор схемы электрической принципиальной

6.1 Схема высокочастотного генератора

Схема генератора УЗ - колебаний показана на рисунке 6.1. Схема выполнена на компараторе LM311. Данный компаратор имеет вход (вывод 6) разрешения работы. Этот вывод подключается к одной из семи линий порта D микроконтроллера. При подаче логического нуля на вход разрешения работы компаратор перестаёт вырабатывать импульсы и на его выходе присутствует положительное напряжение насыщения, т.е. почти положительное напряжение питания.

Рисунок 6.1 - Схема генератора УЗ

Резисторы R1 и R2 выберем из соотношения 1:10 (10 кОм и 1 кОм соответственно) для работы на линейном начальном участке экспоненциального напряжения, получаемого при заряде и разряде конденсатора. Выберем конденсатор ёмкостью 1нФ.

Тогда получаем из формулы (6.1) для длительности импульсов положительной и отрицательной полярностей - 12.5 мкс (период равен двум длительностям импульса

, (6.1)

где tи - длительность импульсов меандра.

. (6.2)

Резистор R3 из ряда Е48 - 68.1 кОм ± 1%

Для выставления более точного времени стоит реостат сопротивлением 1 кОм.

Мощности резисторов вычисляются по формуле:

, (6.3)

где Uнас - напряжение насыщения компаратора, равное 15В.

Для резистора R1 имеем:

. (6.4)

Для резистора R2:

. (6.5)

Все резисторы данного узла мощностью 62 мВт.

К выводам питания компаратора подключены керамические конденсаторы ёмкостью 100нФ для шунтирования помех, идущих по цепи питания.

Для подключения компаратора к микроконтроллеру стоит резистор R5 сопротивлением 1 кОм.

6.2 Генератор отсчета времени с частотой 1MГц

Схема генератора для отсчёта времени, работающий на шестнадцатиразрядный таймер1 микроконтроллера 90S2313, представлена на рисунке 6.2.

Главным частотозадающим элементом в данной схеме является кварцевый резонатор частотой 1 МГц. Резисторы R1 и R2 имеют рекомендованные сопротивления 1кОм, выводящие выходные каскады микросхем в активный режим. Выход микросхемы DD2 подключается ко входу таймера1.

Рисунок 6.2 - Генератор отсчета времени

6.3 Фильтр высоких частот

На рисунке 6.3 показана принципиальная схема фильтра ВЧ.



Рисунок 6.3 - Фильтр ВЧ

Расчёт произведён в MathCAD:

.

.

.

где щ1 - резонансная частота фильтра;

Н1 - передаточная характеристика;

б1 - коэффициент.

Рисунок 6.4 - Передаточная характеристика фильтра

Данный ФВЧ пропускает только частоты выше граничной частоты - 38кГц и подавляет нижние частоты, расположенные ниже 38 кГц, как показано передаточной характеристики фильтра (рисунок 6.4).

Фильтр ВЧ выполнен на микросхеме LM318 [22].

6.4 Фильтр низких частот

На рисунке 6.5 показана принципиальная схема ФНЧ с шунтирующими по питанию конденсаторами против помех.

Рисунок 6.5 - Фильтр низких частот

Расчёт произведён в MathCAD:

где щ0 - резонансная частота;

Н(щ) - передаточная характеристика;

б - коэффициент.

Рисунок 6.6 - Передаточная характеристика фильтра

6.5 Усилитель

На рисунке 6.7 приведена схема усилителя с высоким коэффициентом усиления. Схема выполнена на прецизионном операционном усилителе LM318.

Рисунок 6.7 - Схема усилителя

Выводы питания операционного усилителя (ОУ) зашунтированы керамическими конденсаторами также, как и у фильтров для предотвращения самовозбуждения и влиянию помех. К выводам 1 и 5 подключен потенциометр для баланса нуля на выходе.

Шунтирующие конденсаторы должны находиться как можно ближе к выводам микросхемы при монтаже схемы.

Рассчитаем требуемый коэффициент усиления методом подбора сопротивлений:

,(6.6)

При усилении в 1000 граничная частота усилителя находится в пределах 80 - 100 кГц.

6.6 Формирователь прерываний INT1

Формирователь прерывания необходим для сообщения микроконтроллеру о том, что отсчёт времени нужно прекратить и выполнять подпрограмму обработки. Алгоритм программного обеспечения будет рассмотрен ниже по отдельности.

Формирователь показан на рисунке 6.8.

Рисунок 6.8 - Формирователь прерываний

При отсутствии сигнала с выхода усилителя выход компаратора находится на общем проводе, т.к. открыт выходной транзистор компаратора, который «подсаживает» выход на общий провод, вследствие, заданного порога на его неинвертирующем входе. При поступлении сигнала с выхода усилителя на инвертирующий вход компаратора выше порогового уровня компаратор переключается и на его выходе присутствует напряжение логической единицы ТТЛ - уровня.

Переключение происходит из - за запирания выходного транзистора компаратора. В результате таких процессов, происходящих в формирователе, образуется импульс, показанный на рисунке 6.9. Здесь выходное напряжение формирователя показано с временной задержкой в 200 нс.