Sa sezeinstalatia de masurare numerica a turatiei pentru un system de actionare reglabil

Tema de proiectare

Sa se proiectezeinstalatia de masurare numerica a turatiei pentru un system de actionare reglabil cu urmatoarele caracteristici:

-tipul traductorului: inductive;

-turatia maxima: ns= 1500 rot/min;

-intervalul de timp dintre doua masurari successive: ∆t= 3s;

-semnalizarea atingerii turatiei prescrise np= 1400 rot/min;

Se va analiza modalitatea de sesizare a sensului de rotatie si se va stabili eroarea maxima de masurare.

Schema de principiu

Turometrul contine urmatoarele blocuri functionale:

traductorul;

bloc formator de impulsuri;

bloc divizor;

bloc numarator;

bloc memorare;

bloc oscilator;

bloc afisare;

bloc de semnalizare a limitei inferioare;

bloc de alimentare;

Traductoare

Rolul traductorului in lantul de masurare

Preluarea informatiei de masurare se face de catre traductor sau sesizor, care o converteste intr-o alta marime de alta natura, ale carei variatii urmaresc variatiile marimii de masurat.

Conversia se face pe baza unei anumite legi fizice. Traductorul efectueaza deci transformarea analogical sau digitala a marimii de masurat intr-o marime fizica de aceeasi natura sau de natura diferita, avand insa calitatea importanta de a fi usor masurabila.

La intrarea traductoarelorpot fi aplicate urmatoarele forme de energie:

-radianta;

-mecanica;

-termica;

-electrica;

-magnetica;

Traductoarele electrice convertesc marimea de intrare intr-o marime electrica.

Transformarea informatiilor de natura neelectrica in semnale electrice este avantajoasa ca uramare a facilitatilor si posibilitatilor mari de prelucrare a acestora.

Traductoare digitale

Traductoarele digitale realizeaza convertirea unei marimi neelectrice in semnale numerice.

Semnalele numerice se caracterizeaza prin variatii discrete care permit reprezentarea intr-un anumit cod a unui numar finit de valori din domeniul de variatie continua a marimii de intrare. Codurile adoptate trebuie sa fie compatibile cu aparatele de masurat numerice respective cu sistemele de interfata ale intrarilor sistemelor de calcul si a echipamentelor de reglare numerica ceea ce a impus tendinta de standardizare si a semnalelor numerice furnizate de traductoare.

Traductoarele digitale prezinta o serie de avantaje fata de cele analogige facand ca ele sa fie preferate in aviatie, tehnica militara, masurari de precizie sau in procese de reglare automata de inalta precizie.

Principalele avantaje sunt:

-usurinta traducerii, manipularii si stocarii semnalelor digitale;

-inalta preciziede convertire a marimii neelectrice in marime electrica discontinua;

-imunitatea semnalului electric numeric fata de zgomote electromagnetice;

-inalta rezolutie in afisarea rezultatului masuratorii.

Traductoare de turatie

Marimile cele mai usor convertibile in semnale digitale sunt deplasarea, viteza si pozitia liniara sau unghiulara.

Elementele sensibile ale acestor marimi sunt dotate cu un element codificator sin u cititor. Constructia codificatorului depinde de felul citirii.

Viteza unghiulara sau turatia n (rot/min) a corpurilor in miscare de rotatie se masoara pe cale electrica prin asocierea unui traductor de turatie si a unui frecventmetru.

Pentru ca la frecventmetru sa se aplice impulsuri de forma si amplitudine compatibile cu frecventmetrul, traductorul este urmat de un amplificator-limitator si un formator de impulsuri.

Frecventa impulsurilor este proportionala cu turatia, avand coeficientul de proportionalitate ce depinde de felul traductorului. Aparatul de masurat frecventa poate sa fie analogic sau digital.

Traductoaele folosite pot fi:

-traductoare de reluctanta variabila- elemental sensibil fiind compus dintr-un magnet permanentprelungit cu un miez de Fe pe care este infasurata o bobina aflata loa mica distanta de periferia unui disc din material ferromagnetic;

-domeniul de turatii la care poate fi folosit este 100- 300000 rot/min;

-traductoare cu elemente fotosensibile- folosesc elemente sensibile la turatie de tip fotoelctric care detecteaza variatiile unui flux luminos dependent de viteza de rotatie;

-varianta cu reflexia fluxului luminos permite conversia turatiei unei piese fara a necesita montarea uni disc auxiliar care sa se monteze pe ax;

Sunt foarte raspandite datorita multiplelor avantaje:

-gama foarte larga de turatii, inclusiv turatii joase;

-constructie simpla;

-incarcarea axului cu un cuplu rezistent foarte mic sau chiar nul in cazul traductorului cu reflexive.

Traductoare cu reluctanta variabila

Sunt traductoare electromagnetice care prin constructia lor realizeaza o variatie discontinua a reactantei ceea ce faciliteaza obtinerea unor semnale digitale.

Elemental sensibil cu reluctanta variabila este compus dintr-un magnet permanent, prelungit cu un miez de Fe pe care este infasurata o bobina, aflata la mica distanta de periferia unui disc din material ferromagnetic.

Discul are unul sau mai multi dinti sau gauri (fante) si este montat pe axul a carei viteza unghiulara sau numar de rotatii se determina.

Magnetul, miezul ferromagnetic si discul feromagnetic formeaza un circuit feromagnetic a carui reluctanta variaza in functie de pozitia discului fata de miezul feromagnetic. Cand un dinte se afla in dreptul miezului, reluctanta va fi minima, iar cand un spatiu liber se afla in dreptul miezului, reluctanta va fi maxima. Aceasta variatie de reluctante duce la o variatie de flux magnetic prin bobina, ceea ce induce o tensiune electromotoare Ue(t) in bobina conform legii inductiei electromagnetice.

La o rotatie a discului se obtine un numar de impulsuri cu frecventa f.

f=

unde: n- turatia;

z- numarul de dinti;

Existamai multe variante: cu doua bobine inseriate pe ce le doua coloane sau varianta in care nu exisata destul spatiu unde sa se dispuna roata dintata, se dispune pe arbore un mic magnet permanent care va trece la fiecare rotatie o data prin fata circuitului feromagnetic deschis, astfel bobina induce cate un impuls de tensiune electromotoare.

O constructie mai comoda este aceea cand pe arbore sunt proeminente feromagnetice, iar magnetul permanent este fix cu bobina de culegere a semnalului.

Alegem roata dintata cu un numar de 60 de dinti (z=60) si inlocuim in formula precedenta:

deci n turatia arboreluiest egala cu frecventa tensiunii electromotoare induse in bobina.

Dimensiunile rotii dintate si ale circuitului magnetic se aleg in functie de locul disponibil pe arbore. Prin calcul trebuie determinata varianta de flux magnetic, numarul de spire al bobinei, fiind impuse limitele turatiei de masurat (n, n), tensiunea minima utila care asigura la formatorul de impulsuri formarea unui impuls de perioada (u)

Magnetul permanent poate fi ferita magnetica dura de tip jsau k.

Cunoscand trei puncte (H,0), (H,B), (0,B) se poate aproxima caracteristica de magnetizare B=f(H) (vezi figura) a magnetului, care este garantata pentru volumul magnetului de 2- 2000m (respective 14g- 1,4 kg).

Variatia fluxului magnetic se aproximeaza prin considerarea pozitiei relative a rotii dintate si a circuitului magnetic in cele doua situatii extreme ale valorii reluctantei magnetice:

-dintii in dreptul coloanelor;

-coloanele circuitului magnetic intre doi dinti;

Din prima situatie se obtine fluxul maxim, iar din cealalta situatie se obtine fluxul minim.

Calculul traductorului

Din STAS 8112-68 am ales magnetul ALNICO25 cu urmatoarele caracteristici:

Avem ecuatiile initiale:

Din aceste ecuatii ne rezulta intrefierul:

In continuare calculam reluctanta magnetica a circuitului:

Am ales pentru a si b urmatoarele valori:

a=3mm;b=2mm.

Inlocuind obtinem: =3.5593*

Din ecuatie:

Il calculam pe si obtinem inductia

Din caracteristica de demagnetizare ne rezulta pentru:

Fluxurile corespunzatoare acestor inductii sunt:

si notam

Numarul de spire se alege din conditia ca la turatia minima tensiunea indusa sa atinga valoarea :

unde: N-numarul total de spire a celor doua bobine;

-tensiunea minima necesara formatului de impulsuri,100mV;

z-numarul de dinti(crestaturi) ai discului,60;

-limita de turatie a domeniului de masurat,1400[rot/min];

Tinand cont de acestea rezulta:

N = 20 de spire

In continuare determinam tensiunea maxima care poate di indusa in bobina traductorului:

Inainte de a calcula tensiunea maxima,trebuie sa calculam perioada in care tensiunea ajunge de la valoarea sa minima la cea maxima.

Asadar aceasta o putem face cu ajutorul formulei si efectuand calculele obtinem in final o tensiune maxima de:

Facem verificare daca spirele incap pe carcasa,folosind sarma de Cu cu diametrul si cu factorul de umplere Ku=0.6-0.65.

Am stabilit ca roata ,discul cu crestaturi are 60 de dinti.Micsoram raza acestui disc tinand cont de formula geometrica:

Formatorul de impulsuri. Poarta principala

Are ca principala componenta circuitul integrat ROB 760 specializat in comutari la frecvente ridicate. Acesta (C.I.) s-a folosit in configuratie, comparativ cu histerezis, pentru a evita masurarea unor impulsuri false.

Cele doua diode au rolul de a proteja intrarea integratului la supratensiuni.

Acest circuit are rolul de a transforma semnalul sinusoidal aplicat la intrare in semnal dreptunghiular compatibil cu T.T.L.

La iesirea din ROB 760 semnalul este introdus in C.I. CDB 413 si apoi in poarta principala realizata cu ajutorul integratului CDB 400.

Acesta este un circuit logic de tip ''SI'' avand aplicata pe una din intrari (1) impulsurile de masurat, iar pe cealalta intrare, impulsul ce comanda deschiderea respective inchiderea portii la o perioada τ= 2s, poarta fiind deschisa pe un timp de 1s permitant trecerea impulsurilor de numarat.

In urmatoarele diagrame, impulsurile de masurat apar la iesirea 3 a portii pe durata timpului in care impulsul de comanda are nivelul logic ''1''.

Daca T este prioada impulsului de masurat vor trece prin poarta N impulsuri asa incat N=.

Impulsurile care trec prin poarta principala sunt trecute printr-un divizor. Intorcandu-ne la schema formatorului de impulsuri observam ca avem inaintea C.I. ROB 760 un etaj de limitare care protejeaza de eventualele supratensiuni etajele urmatoare.

Semnalele sunt aplicate unui Trigger Schmidt care le transforma in semnale dreptunghiulare. Cand semnalul depaseste un anumit nivel de tensiune, triggerul basculeaza furnizand la iesire un nivel logic ''1''. Cand nivelul semnalului scade la valoarea limita triggerul revine la starea logica ''0''.

Blocul divizor

Impulsurile care trec prin poarta principala sunt trecute prin blocul divizor, deoarece perioada de descrestere a portii principale de 1s, iar masurarea se face in rot/min, divizorul realizand transformarea din secunde in minute.

Divizorul este realizat cu:

-un CDB 492 care este un numarator, divizor cu 12, 6, si 2 C.I. CDB 492 este un numarator binar alcatuit din patru bistabile ''master- slove'', astfel interconectate incat sa realizeze un divizor cu 2 si unul cu 6.

Intrarile R(1) si R(2) inhiba intrarile de masurare si aduc simultan iesirile celor patru bistabile in stare logica ''0''.

Deoarece iesirea bistabilului A nu e conectata la bistabilul urmator, urmatorul poate functiona in doua moduri distincte utilizandu-se ca:

-divizor cu 12;

-divizor cu 6;

La iesirile Q si Q se obtin simultan divizori cu 3 si 6- un CDB 490 este numerator zecimal, divizor cu 2 si5. acesta contine 4 bistabile ''master- slave'' astfel interconectate incat sa realizeze un divizor cu 2 si unul cu 5.

Intrarile de initializare R(1), R(2), R(1), R(2) inhiba intrarea de numarare si aduc toate iesirile la starea ''0'' sau starea corespunzatoae in cod BCD.

Deoarece iesirea Q nu este conectata intern la etajele urmatoare, circuitul poate functiona in trei moduri distincte:

-numarator in cod BCD;

-divizor simetric prin 10 ca in cazul nostru, iesirea Q fiind conectata la intrarea A;

-impulsurile de numerator sunt aplicate pe intrarea B, iar rezultatul divizarii se obtine la iesirea Q.

-divizor cu 2 si divizor cu 5;

Bloc numarator

Impulsurile astfel divizate se introduce in blocul de numarare format cu circuitele CDB 490, utilizate aici ca numerator BCD, intrarea B fiind conectata la iesirea Q. Impulsurile de numarare sunt aplicate pe intrarea A, iar secventa de numarare se obtine la iesirile Q, Q, Q, Q in cod BCD.

Incalzirea se face cand ambele intrari de masurare se gasesc in ''1''; toti bistabilii sunt in ''0''.

Semnalul de reset este introdus prin doua porti inversoare pentru a-l intarzia fata de impulsul de incarcare.

Blocul de numarare

Pentru realizarea unei durate de 3s intre doua afisari successive este necesara o numarare a datelor in doua register 74374- registrul D pe 8 biti. Datele de pe intrarile D- D vor fi depozitate pe flancul pozitiv al tactului in flip- flop. Intrarea de tact are si un Trigger Schmidt.

Datele inmagazinate sunt transferate pe iesirile Q cand este pe ''0''. Daca este in stare ''1'', toate iesirile trec in stare de inalta impedanta. Datele sunt transferate pe frontal crescator al clock-ului.

Blocul de afisare

Datele sunt transferate in registre in blocul de afisare la un interval de 3s. Blocul de afisare este construit din circuitul integrat CDB 447- DECODER- DRIVER- BCD 7 segmente cu iesiri cu colector in gol 15V.

Intrarea de supracontrol a stingerii B, trebuie lasata neconectata sau mentinuta in stare ''1'' cand se doreste aprinderea afisajului cu o anumita cifra.

Intrarea de stingere RBI si intrarea de testare a functiei (∆T) sunt conectate in stare ''1'' (OFF). Circuitul comanda o celula de afisare a sapte segmente avand anodul comun. Semnalele ce activeaza digital sunt active pe ''0''. Pentru limitarea curentului pe fiecare segment la valoarea de 20 mA se allege o rezistenta de valoare 330 Ω la 0,5 W.

Blocul de semnalizare

Semnalizeaza atingerea turatiei prescrise- 1400. Se realizeaza cu patru decodificatoare 7442 conectate la iesirile numaratoarelor.

CDB 442 decoder binary zecimal ce contin 8 inversoare si 10 porti SI-NU cu patru intrari. Inversoarele sunt conectate perechi pentru a permite ca cifrele binare prezente pe intrari si decodificate de catre portile SI-NU.

Decodorul este astfel realizat incat pentru orice stare necodificata iesirile raman in starea "1".

Turatia prescrisa -1400- este formata de cele patru decodificatoare din iesirele 1,4,0,0, active pe "0". La realizarea cmbinatiei 0041 in zecimal,cele patru iesiri sunt in stare "0". Ele sunt conectate intr-o poarta "NOR" a circuitului 7427 care transforma "1" la iesire numai cand se realizeaza combinatia unica 0000 la intrarea portii,adica 1400 in zecimal iesirea decodificatorului.

Aceasta stare aprinde LED-ul de semnalizare a depasirii turatiei prescrise.

Blocul oscilator

Pentru ca masurarea sa fie exacta este necesar ca impulsul ce comanda inchidereadeschiderea portii principale sa aiba o durata foarte exacta.Pentru aceasta este necesara o baza de timp de mare precizie si stabilitate.

Aceasta este constituita dintr-un bloc oscilator cu cuart avand frecventa de oscilatie 76,8 KHz.

Oscilatorul este format din doua porti inversoare conectate in antifaza.

Frecventa de la iesirea oscilatorului este micsorata prin divizare in bloc divizor format din urmatoarele circuite integrate :

492 utilizat ca divizor cu 6

493 un numarator binar cu patru biti,cu patru bistabile master-slave. Functionarea este identica cu cea de la CDB 492.In cazul nostru este folosit ca divizor cu 16. Impulsurile sunt aplicate pe intrarea A,iar iesirea QA trebuie conectata la intrarea B. Simultan se obtin divizari cu 2,4,8 si 16 la iesirile de la iesirile QA,QB,QC,QD.

490 divizor cu 10.

Dupa divizare se otin impulsuri cu perioada de 2s care sunt aplicate la intrarea portii principale si la reset-ul numaratoarelor dupa ce in prealabil au un timp de intarziere necesar intarzierii registrelor si impulsurilor cu perioada de pentru realizarea timpului dintre doua afisari succesive.

Blocul de alimentare

Acesta are rolul de a asigura tensiune intregului sistem,tuturor integratelor.

Este necesar ca acesta sa fie utilizata la 5V pentru ca orice variatie de tensiune poate introduce mari erori de masurare si afisare.

De asemenea este necesar ca aceasta sursa sa aiba protectie la supracurent.

Erori de masurare

Consideratii privind erorile de masurare:

Erorile de masurare pentru un turometru digital se datoreaza anumitor factori cum ar fi:

-erori datorate bazei de timp.Principalul factor este instabilitatea frecventei de oscilatie. Aceasta se poate reduce folosind n oscilatori cristali de cuart,astfel asigurandu-se o stabilitate suficient de mare pentru aplicatiile industriale.

-erorile datorate traductorului.In cazul nostru reducerea erorii se face dimensionand cat mai bine circuitul magnetic si discul cu crestaturi si prin alegerea unei scheme optime a fotmatorului de impulsuri care sa elimine parazitii.

-erori datorate metodei a caror valoare rezida din instabilitatea ultimei cifre, datorita nesicronizarii bazei de timp cu semnalul de intrare, aceasta eroare fiind de 1 digit,precum si faptul ca turometrul nostru nu masoara turatia momentana ci la intervale stabilite de timp.

Deci erorile ar putea fi calculate insumand erorile enumerate: