Анализ методов измерения расхода топлива

,при X₁>X₂ (2.2.3)

,при X₁<X₂ (2.2.4)

На временной диаграмме согласно рис. 4в до первой временной метки t_Р и за второй временной меткой равновесия моста сигнал разности находится в фазе с сигналом генератора постоянной частоты (рис. 4а). А сигнал разности между первой и второй метками равновесия моста находится в противофазе с сигналом генератора постоянной частоты. Сигнал с выхода генератора тока поступает на вход фазосдвигающего 4 устройства. В нём фаза сигнала сдвигается на 90^° для обеспечения запаса по фазе при сравнении фаз тока сигнала разности и тока генератора постоянной частоты.

Ток сигнала разности с измеренной фазой с выходной диагонали мостовой 8 схемы поступает на вход первого усилителя 7, где осуществляется усиление данного тока сигнала разности с заданным коэффициентом. С выхода усилителя 7 ток сигнала разности поступает в фильтр 9, где сигнал фильтруется от помех, которые могут создавать другие бортовые потребители космического корабля. Поскольку фильтр 9 является апериодическим звеном, которому свойственна временная задержка , то ток сигнала разности с выхода фильтра 9 будет иметь некоторый фазовый сдвиг, нежелательный для дальнейшего преобразования тока сигнала разности, но учтенный при сдвиге по фазе на 90^° в фазосдвигающем 4 устройстве. Следовательно, перед операцией сравнения фаз, ток сигнала разности с выхода фильтра 9 и ток сигнала постоянной частоты с выхода фазосдвигающего 4 устройства, остаются взаимно ортогональными. Указанные сигналы при дальнейшей обработке преобразуются в дискретные, так как заявленное устройство использует информацию только о состоянии их фазовых сдвигов. Для этой цели сигнал генератора постоянной частоты с выхода фазосдвигающего 4 устройства и сигнал разности с выхода фильтра 9 подают, соответственно, на первый 5 и второй 10 амплитудные компараторы, которые преобразуют аналоговый синусоидальный сигнал в дискретный. [12] Например, если амплитуда синусоидального сигнала положительна, то это соответствует логической единице, а, если амплитуда синусоидального сигнала отрицательна, то это соответствует логическому нулю. Отсюда следует, что согласно диаграмме рис. 4г ток генератора постоянной частоты в первом амплитудном 5 компараторе преобразуется в последовательность опорных импульсов. А согласно диаграмме рис. 4д. ток сигнала разности во втором амплитудном 10 компараторе преобразуется в последовательность импульсов разности. Притом относительно последовательности прямоугольных опорных импульсов последовательность прямоугольных импульсов сигнала разности сдвинута по фазе на 90^°. Эти две последовательности содержат информацию о фазах входных аналоговых сигналов.

Для сравнения фаз с выходов амплитудных 5 и 10 компараторов последовательности поступают на входы фазочувствительного 6 фиксатора. Фазочувствительный 6 фиксатор выполнен в виде динамического D-триггера. На D-вход динамического D-триггера подается последовательность импульсов сигналов разности, которая содержит информацию о фазе сигнала разности, а на счетный вход динамического D-триггера - последовательность опорных импульсов, которая содержит информацию о фазе сигнала генератора постоянной частоты. Из временных диаграмм согласно рис. 4г и рис. 4д (до меток равновесия мостовой схемы t_Р) следует, что переднему фронту опорного импульса соответствует скважность последовательности импульсов сигнала разности, т.е. состояние логического нуля. Результатом сравнения фаз последовательностей прямоугольных импульсов является состояние логического нуля, показанного на диаграмме рис. 4е. Так как фазочувствительный 6 фиксатор выполнен в виде динамического D-триггера, то результат сравнения фаз по переднему фронту импульса фиксируется в триггере 6 в виде логического нуля и на каждом опорном импульсе генератора постоянной частоты. При выходе шарика из зоны действия импульс разности принимает значение логической единицы, следовательно, с очередным опорным импульсом (см. рис. 4 г, д) импульс счета принимает значение логической единицы согласно временной диаграмме рис. 4е.

2.3 Разработка схемы электрической принципиальной, её описание

Выбор серий ЭРЭ произведен с учетом предыдущих разработок, так как эти элементы зарекомендовали себя с хорошей стороны; количество отказов -- наименьшее. Выбор номиналов резисторов и конденсаторов осуществляется опытным путем. [13]

Резисторы. Серия ОС С2-33Н.

Конденсаторы. Серия К10 с необходимыми требованиями по максимально допустимому напряжению (обычно выбирается с некоторым запасом) и допуску (в процентном соотношении) на отклонение номинальной емкости.

Диоды. В схеме используем импульсный диод типа 2Д522Б ОС.

Транзисторы. Для реализации входных матриц очень удобно использовать транзисторные матрицы 2ТС622А, содержащие по четыре транзистора в каждой матрице.

Компараторы. Для преобразования аналогового синусоидального сигнала в дискретный выбраны микросхемы серии ОСМ 521СА301.

Усилители. Для усиления входных сигналов использованы два операционных усилителя серии ОС 140УД6Б.

Триггеры. В качестве фазочувствительного фиксатора используем микросхему ОС 564ТМ2, состоящую из двух триггеров D-типа.

Трансформаторы. В схеме используется мостовой измерительный трансформатор и силовой трансформатор.

Генератор. Генератор постоянной частоты предназначен для питания мостового измерительного трансформатора.

Таблица 2 - Спецификация

Поз. обозначение	Наименование	Кол.	Прим.
	Конденсаторы ОС К10-17
	ОЖО.460.107 ТУ, ОЖО.460.183 ТУ
С2*	ОС К10-17С-в-Н50-0,22мкФ	1	Н50-0,15мкФ, Н20-0,27мкФ±20%
С5	ОС К10-17а-М47-1500пФ±10%	1
С6, С9	ОС К10-17а-Н90-0,68мкФ	2
C8, С10	ОС К10-17а-М47-150пФ±10%	2
DA8, DA9	Микросхема ОС 140УД6Б	2
	бКО.347.004 ТУ4/02, ПО.070.052
DA10, DA11	Микросхема ОСМ 521СА301	2
	бКО.347.015 ТУ2, ПО.070.052
D2	Матрица транзисторная 2ТС622А ОС	1
DD1	Микросхема ОС 564ТМ2
	бКО.347.280-01 СТУ
	Резисторы ОС С2-33Н
	ОЖО.467.093 ТУ, ОЖО.467.138 ТУ
R1, R36	ОС С2-33Н-0,125-22кОм±5%-А-Д-В	2
R2	ОС С2-33Н-0,125-3,65кОм±1%-А-В-В	1
R3	ОС С2-33Н-0,125-8,2кОм±5%-А-Д-В	1
R4	ОС С2-33Н-0,125-2кОм±1%-А-В-В	1
R5	ОС С2-33Н-0,125-750Ом±1%-А-В-В	1
R6*	ОС С2-33Н-0,125-390Ом±5%-А-Д-В	1	Подбор (240,270, 300, 330, 360, 430, 470, 510, 560, 620, 680, 750) Ом
R16	ОС С2-33Н-0,125-274Ом±1%-А-В-В	1
R19	ОС С2-33Н-0,125-18,2кОм±1%-А-В-В	1
R20	ОС С2-33Н-0,125-124кОм±1%-А-В-В	1
R21	ОС С2-33Н-0,25-3,01кОм±1%-А-В-В	1
R35, R37	ОС С2-33Н-0,125-10кОм±5%-А-Д-В	4
R40, R41
R42	ОС С2-33Н-0,125-130кОм±5%-А-Д-В	1
VD3	Диод 2Д522Б ОС	1
	дР3.362.029-01 ТУ/02, АЕЯР.430204.190 ТУ
Т1, Т2	Трансформатор	2

В результате была разработана схема электрическая принципиальная (рис. 5) для реализации устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы.

Датчик индуктивный вварен в топливный трубопровод и представляет собой линейный мостовой измерительный трансформатор T1 с катушкой индуктивности и с двумя подстроечными резисторами. Схема включения датчика состоит из матрицы транзисторной D2, нелинейного трансформатора Т2, двух операционных усилителей DA8 и DA9, двух компараторов DA10 и DA11 и микросхемы DD1, состоящей из двух триггеров D-типа. Схема питается от источника питания напряжением 15 В и от генератора постоянной частоты с настройкой 25 кГц.

Первичным преобразователем системы измерения расхода топлива является шариковый тахометрический датчик вместе с магнитной системой, выполненной в виде мостового измерительного трансформатора Т1. Для питания мостового измерительного трансформатора Т1 переменным током используется генератор постоянной частоты. Подача тока осуществляется через матрицу транзисторную D2 и трансформатор T2. В качестве элемента дисбаланса используется резистор, а в качестве регулируемого усилителя - ЦАП, построенный на операционном усилителе DA9 и амплитудном компараторе DA11. Фазочувствительный фиксатор выполнен в виде динамического D-триггера DD1, построенного на микросхеме ОС 564ТМ2.

Рисунок 5 - Схема электрическая принципиальная

2.4 Расчет усилителей

Рассмотрим подробнее схему включения операционных усилителей DA8 (рис. 6) и DA9 (рис. 7), построенных на микросхеме 140УД6Б. В устройстве рис. 5 схема включения операционных усилителей DA8 и DA9 является инвертирующей. [14, 15]

Рисунок 6 - Схема включения усилителя DA8.

;

.

Рисунок 7 - Схема включения усилителя DA9.

;

.

2.5 Чувствительный элемент (тахометрический датчик), его расчет

Трансформатор имеет две входные и две выходные обмотки, которые находятся на общем сердечнике. Параметры первичной обмотки и ; вторичной - , , и . Взаимная индуктивность между обмотками (рис. 8).

Рисунок - 8 Схема мостового измерительного трансформатора

На рис. 9 изображен трубопровод подачи топлива с узлом съема сигнала (катушкой индуктивности) и мостовым измерительным трансформатором.

Рисунок 9 - Шариковый тахометрический датчик

Выберем положительные направления токов и . Запишем уравнения в комплексной форме: [16, 17]

для первичной цепи

для вторичной цепи

На рис. 10 качественно построим векторную диаграмму для вторичной цепи (а - при ; б - при ).

а) приб) при

Рисунок 10 - Векторная диаграмма токов.

Преобразуем уравнения:

2.6 Выбор среды разработки математической модели ДР. Обоснование выбора

При выборе среды для разработки математической модели ДР учитывались следующие требования:

1. удобство работы со средой разработки;

2. наличие интуитивно понятного интерфейса;

3. наличие необходимой элементной базы;

4. доступность профессиональной версии среды разработки на предприятии.

В результате, для разработки математической модели датчика СИРТ была выбрана среда NI Multisim, которая соответствует всем предъявляемым требованиям. «NI Multisim - популярный программный пакет, позволяющий моделировать электронные схемы и разводить печатные платы.

Главная особенность NI Multisim - простой наглядный интерфейс, мощные средства графического анализа результатов моделирования, наличие виртуальных измерительных приборов, копирующих реальные аналоги. Библиотека элементов содержит более 2000 SPICE-моделей компонентов. Присутствуют электромеханические модели, импульсные источники питания, преобразователи мощности. Инструмент Convergence Assistant автоматически исправляет параметры SPICE, корректируя при этом ошибки моделирования.

Версия Multisim Professional специально создана для быстрого прототипирования и решения задач оптимизации соединений. Предлагается расширенный пользовательский интерфейс, нестандартные методы анализа, которые основаны на фирменной системе NI LabVIEW, и обычные алгоритмы имитационного моделирования схем по стандарту SPICE.

Среда для моделирования Multisim Professional обладает улучшенной функциональностью, новыми инструментами для моделирования, расширенной базой элементов. Благодаря этому разработка и создание проектов электрических схем может выполняться гораздо более точно и быстро». [18]

По итогам второй главы разработан метод измерения комплексного сопротивления мостовой измерительной схемы датчика расхода топлива, заключающийся в измерении фазы несущей частоты полезного сигнала ДР, разработана структурная и электрическая принципиальная схемы устройства для его реализации, произведен расчет основных блоков схемы.

Глава 3. Экспериментальные исследования датчика СИРТ

3.1 Экспериментальные исследования математической модели ДР

Моделирование датчика СИРТ осуществлялось поэтапно, чтобы проверить работоспособность каждого отдельного блока схемы и убедиться в правильности ее построения. Разработка схемы в среде NI Multisim осуществлялась согласно электрической схеме рис. 5 и выбранной элементной базе. Имитация прохождения шарика осуществлялась путем включения и выключения ключа.

Для питания мостового измерительного трансформатора переменным током используем генератор постоянной частоты. Настраиваем его на выдачу синусоидальных импульсов с частотой 25 кГц. Таким образом, генератор постоянной частоты на выходе обеспечит сигнал, показанный на рис. 11.

Рисунок 11 - Ток генератора постоянной частоты

Мостовой измерительный трансформатор настраивается так, что внесенные в магнитную систему потери переводят его из одного равновесного состояния в другое. При этом мостовая схема каждый раз проходит состояние равновесия при входе и при выходе шарика из зоны действия. При прохождении положения равновесия моста фаза несущей частоты разностного сигнала меняется на 180^° (р). В случае, когда шарик находится в зоне действия мостового измерительного трансформатора, комплексное сопротивление первой выходной обмотки мостового измерительного трансформатора меньше, чем комплексное сопротивление второй выходной обмотки. В случае же, когда шарик находится вне зоны действия мостового измерительного трансформатора, комплексное сопротивление первой выходной обмотки мостового измерительного трансформатора больше, чем комплексное сопротивление второй выходной обмотки. Это хорошо видно на рис. 12.

На рис. 13 представлен ток сигнала разности. Вне зоны действия шарика комплексное сопротивление первой обмотки выходной диагонали моста больше, поэтому фаза сигнала разности совпадает с фазой тока второй обмотки. А в зоне действия шарика комплексное сопротивление второй обмотки больше, чем первой, поэтому фаза сигнала разности изменяется на 180^° и совпадает с фазой тока первой обмотки выходной диагонали моста.

Далее синусоидальные сигналы преобразуются в дискретные с помощью амплитудных компараторов. Если амплитуда синусоидального сигнала положительна, то это соответствует логической единице. Если амплитуда синусоидального сигнала отрицательна, то это соответствует логическому нулю. Согласно рис. 14 ток генератора постоянной частоты в первом амплитудном компараторе преобразуется в последовательность опорных импульсов.



Рисунок 12 - Плечевые токи и ток сигнала разности

Рисунок 13 - Ток сигнала разности



Рисунок 14 - Ток опорных импульсов

На рис. 15 ток сигнала разности во втором амплитудном компараторе, показанный синим цветом, преобразуется в последовательность импульсов разности. При этом относительно последовательности прямоугольных опорных импульсов последовательность прямоугольных импульсов сигнала разности сдвинута по фазе на 90^°. Эти две последовательности содержат информацию о фазах входных аналоговых сигналов.



Рисунок 15 - Токи опорных импульсов, импульсов разности и импульсов счета

Для сравнения фаз с выходов амплитудных компараторов последовательности поступают на входы динамического D-триггера. На D-вход динамического D-триггера подается последовательность импульсов сигналов разности, которая содержит информацию о фазе сигнала разности, а на счетный вход динамического D-триггера - последовательность опорных импульсов, которая содержит информацию о фазе сигнала генератора постоянной частоты. Из рис. 15 видно, что переднему фронту опорного импульса соответствует скважность последовательности импульсов сигнала разности, т.е. состояние логического нуля. Результатом сравнения фаз последовательностей прямоугольных импульсов является состояние логического нуля, показанного на рис. 15 зеленым цветом. Результат сравнения фаз по переднему фронту импульса фиксируется в триггере в виде логического нуля и на каждом опорном импульсе генератора постоянной частоты. При выходе шарика из зоны действия импульс разности принимает значение логической единицы. Следовательно, с очередным опорным импульсом импульс счета принимает значение логической единицы.

На рис. 16 и рис. 17 еще раз наглядно продемонстрированы полученные графики.

Рисунок 16 - Ток сигнала разности, плечевые токи и ток импульсов счета



Рисунок 17 - Ток сигнала разности, плечевые токи и ток импульсов счета

топливо датчик электрический усилитель

Таким образом, по результатам моделирования подтверждается возможность осуществления работы устройства измерения комплексного сопротивления мостовой схемы с использованием фазового метода, который имеет гораздо больший запас устойчивости по сравнению с методом амплитудной модуляции полезного сигнала датчика. Моделирование показало, что временные диаграммы функционирования устройства на рис. 4 практически полностью совпадают с диаграммами, полученными в результате разработки и тестирования в среде моделирования NI Multisim.

Заключение

В данной работе:

1) проанализированы различные методы измерения расхода топлива и выявлены их недостатки;

2) рассмотрен принцип действия датчика, находящегося в зоне воздействия механических нагружений на чувствительный элемент, основанный на внесении потерь в магнитный чувствительный элемент датчика металлическим шариком, вращающимся в полости магистрали подачи топлива к двигателям;

3) разработан метод измерения фазы несущей частоты полезного сигнала, исключающий влияние механических нагружений на чувствительный элемент датчика и, соответственно, повышающий точность измерения количества топлива;

4) разработаны функциональная и электрическая принципиальная схемы ДР, предназначенного для измерения количества окислителя и горючего, израсходованных двигателями коррекции и двигателями ориентации транспортного пилотируемого корабля;

5) разработана математическая модель ДР и произведены экспериментальные исследования данной модели;

6) по результатам моделирования подтверждена работоспособность ДР, реализованного на разработанном методе фазовой модуляции полезного сигнала датчика;

7) подтверждена новизна путем подачи заявки на предполагаемое изобретение;

8) достигнуто снижение гарантийных запасов топлива путем повышения точности измерения расхода.

Список использованных источников

1. Петров Б.Н., Портнов-Соколов Ю.П., Андриенко А.Я., Иванов В.П. Бортовые терминальные системы управления. Машиностроение, 1983г.

2. Бирюков Б.В., Данилов М.А., Кивилис С.С. Точные измерения расхода жидкостей. Справочное пособие. М., «Машиностроение», 1977, 144 с.

Википедия - свободная энциклопедия [Электронный ресурс]: Союз (Космический корабль)

3. Википедия - свободная энциклопедия

4. Википедия - свободная энциклопедия [Электронный ресурс]: Прогресс (Космический корабль)

5. Андриенко А.Я., Петров Б.Н., Портнов-Соколов Ю.П., Чацкин А.Н. Способ управления техническим объектом с несколькими программно-изменяемыми параметрами. Авторское свидетельство № 360643 с приоритетом от 22.07.69г.

6. Балакин С.В., Дывак А.Н., Хачатуров Я.В. “Способ измерения комплексного сопротивления мостовой схемы с тесной индуктивной связью и устройство для его осуществления”. Патент РФ №2224261, 20.02.2004, бюл. №5;

7. Штейн Б.Б., Черняк Н.А. Однополосная модуляция с помощью фазовых схем. - М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио, 1959. - 164 с.

8. Хныков А.В. Теория и расчет трансформаторов источников вторичного электропитания. - М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 128 с.

9. Авербух В.Д. Операционные усилители и компараторы. Справочник. - М.: Додэка XXI, 2002. - 560 с.

10. Джонс М.Х. Электроника - практический курс. - М.: Постмаркет, 1999. - 528 с.

11. Абрамов К.Д. Схемотехника устройств на операционных усилителях: учеб. пособие / К.Д. Абрамов, С.К. Абрамов. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т "Харьк. авиац. ин-т", 2008. - 77с.

12. Щербаков В.И. Электронные схемы на операционных усилителях: справочник / В.И. Щербаков, Г.И. Грездов. - К.: Технiка, 1983. - 213 с.

13. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Изд. «Высшая школа», Москва - 1973, 638 с.

14. Ермолин Н.П. Расчет трансформаторов малой мощности. - Л.: Энергия, 1969. - 192 с.

Размещено на Allbest.ru