83072

Разработка сцинтилляционного детектора нейтронного излучения

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения...

Русский

2015-03-07

1.65 MB

5 чел.

PAGE  24

Форма № Н-6.01

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ, НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Кафедра 303

КУРСОВА РОБОТА

по дисциплине

 "Электронная и микропроцессорная техника"

                 на тему: Разработка сцинтилляционного детектора нейтронного излучения

Студента    4       курсу        348       групи

напряму підготовки:  6.051002

спеціальності: метрологія

                                                                       Юрьев Денис Александрович

Керівник к.т.н. доцент, доктор философии

Цеховской Максим Владимирович

Національна шкала ________    

Кількість балів: _____

Оцінка:  ECTS _____

                                                             Члени комісії _______  _______________

                                                                                                                                        (підпис)               (прізвище та ініціали)

                                                                                      _______  _______________

                                                                                                                                        (підпис)               (прізвище та ініціали)

                                                                                      _______  _______________

                                                                                                                                        (підпис)               (прізвище та ініціали)

м. Харків – 2014 рік

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ                                                                                                                     3

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                                  4

1 АНАЛИЗ  СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ                                5

2 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ                                   8

  2.1 Первичные преобразователи                                                                           14

3 РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ                                     17

4 ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА РАБОТЫ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА                     22

5 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ИЗМЕРИТЕЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ      25

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                                         30

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ                                                31

Реферат:

Прибор относится к контрольно-измерительной технике, в частности к области определения уровня жидких сред, а также может быть использован для определения расстояния до объектов контроля. В данном способе с помощью совмещенного преобразователя направляют ультразвуковой импульс на контролируемую поверхность. Измеряют время прохождения импульса от излучателя до контролируемой поверхности и обратно. В качестве времени прохождения импульса измеряют время от момента изменения одной частоты на другую в излученном импульсе до момента соответствующего изменения частоты в принятом преобразователем импульсе, отраженном от контролируемой поверхности. По измеренной величине времени и скорости ультразвука определяют значение уровня. Технический результат состоит в повышении точности определения уровня жидких сред, не зависящей от флуктуации газовых потоков.                        

Вступление

 

Стремительное развитие электроники и вычислительной техники оказалось предпосылкой для широкой автоматизации самых разнообразных процессов в промышленности, в научных исследованиях, в быту. Реализация этой предпосылки в значительной мере определялась возможностями устройств для получения информации о регулируемом параметре или процессе, т.е. возможностями датчиков.

Датчики, преобразуя измерительный параметр в выходной сигнал, который можно измерить и оценить количественно, являются как бы органами чувств современной техники.

Измерение уровня жидкости в различного рода резервуарах также возможно осуществлять с использованием средств промышленной электроники и автоматики.

Управление технологическими процессами во многих отраслях промышленности связано с измерением уровня.

Современные системы автоматизации производства требуют статистических и информационных данных, позволяющих оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность использования сырья.

Этот постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в си схемах контроля не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное измерение.

Для ведения технологических процессов большое значение имеет контроль за уровнем жидкостей и твердых сыпучих материалов в производственных аппаратах. Кроме того, зная площадь любой емкости, по величине уровня можно определить количество вещества в ней. Часто по условиям технологического процесса нет необходимости в измерении уровня по всей высоте аппарата. В таких случаях применяют узкопредельные, но более точные уровнемеры. Особую группу составляют уровнемеры, используемые только для сигнализации предельных значений уровня.
         Для измерения уровня жидкости применяют поплавковые, буйковые, гидростатические, ультразвуковые и акустические приборы, для измерения уровня жидкости и твердых сыпучих материалов — емкостные и радиоизотопные.

1 Анализ существующих методов измерения

Существуют более двадцати различных методов измерения уровня

жидких продуктов. Часть из них широко применяется в промышленно-

сти, другие имеют узкоспециальное применение из-за присущих им недос-

татков.  Наиболее  распространенные  методы  измерения  показаны  на  рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Методы измерения уровня жидкости

В  волновых  методах  используются  эффекты,  связанные  с  распространением электромагнитных или акустических волн в жидкости, парогазовой смеси либо в конструктивных элементах (волноводах, звуководных трубах), контактирующих со средами.  

В  неволновых  методах  используются  иные  принципы  измерения

уровня, основанные на изменении емкости конструктивного конденсатора, давления столба жидкости, выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело. Обширную группу составляют механические поплавковые методы, исторически появившиеся одними из первых.

Комбинированные  методы  сочетают  в  себе  элементы  волновых  и неволновых. Например, в поплавковом магнитострикционном методе уровень жидкости фиксируется плавающим на поверхности поплавком, а определение положения самого поплавка производится с помощью механических колебаний, возникающих в звукопроводе.

Все  методы  измерения  уровня  имеют  недостатки  и  погрешности, ограничивающие сферу их использования. Погрешности могут быть частично  компенсированы  различными  техническими  средствами,  что,  как правило,  ведет  к  усложнению  и  удорожанию  конечного  изделия.  Невозможность полной компенсации погрешностей вызвана физическими, эко номическими и эксплуатационными ограничениями.

Принцип действия волноводных уровнемеров основан на технологии рефлектометрии. Микроволновые наносекундные радарные импульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду. Когда радарный импульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии импульса отражается в обратном направлении. Разница во времени между моментом передачи радарного импульса и моментом приема эхосигнала пропорциональна расстоянию, согласно которому рассчитывается уровень жидкости или уровень границы раздела двух сред. Интенсивность отраженного эхосигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше коэффициент диэлектрической проницаемости, тем выше интенсивность отраженного сигнала. Волноводная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерений уровня, поскольку радарные импульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, температуре и давлению. Поскольку радарные импульсы направляются по зонду, а не свободно распространяются в пространстве резервуара, то волноводная технология может с успехом применяться в малых и узких резервуарах, а также в резервуарах с узкими патрубками.

Возможность применения метода для решения практической задачи определяется его основной и дополнительной погрешностями, диапазоном измерения (интервал между максимальным и минимальным уровнем жидкости, в котором возможно измерение), размерами верхней и нижней зон, в которых  измерение  невозможно,  эксплуатационными  ограничениями  и стоимостью  реализации.  Диапазоны  измерения,  размеры  неизмеряемых зон и условная стоимость реализации методов сведены в табл. 1.

Таблица 1

Общие характеристики методов измерения уровня

Поскольку, волновой метод измерения является наиболее эффективным и наиболее точным, в дальнейшем мы будем рассматривать приборы, разработанные по его принципу.

2 Анализ существующих средств измерения

Поплавковые уровнемеры. В поплавковых уровнемерах имеется плавающий на поверхности жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка. В таких приборах используется легкий поплавок, изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Показывающее устройство прибора соединено с поплавком тросом или с помощью рычагов. Поплавковыми уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых емкостях.

Буйковые уровнемеры. В буйковых уровнемерах (рис. 2.1) применяется неподвижный погруженный в жидкость буек 3. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила F. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Но, как видно из рис. 1, количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, т. е. от уровня в емкости Н. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень Н преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная.

Рисунок 2.1. Буйковый уровнемер: 1 — рычаг; 2 — промежуточный преобразователь силы в унифицированный сигнал; 3 — буек.

          В буйковых уровнемерах УБ и УБ-Э буек передает усилие на рычаг 1 промежуточного преобразователя 2. Выходной сигнал первого уровнемера —унифицированный пневматический, второго — унифицированный электрический сигнал (постоянный ток).

Принцип действия буйковых уровнемеров позволяет в широких пределах изменять их диапазон измерения. Это достигается как заменой буйка, так и изменением передаточного отношения рычажного механизма промежуточного преобразователя. Уровнемеры УБ могут измерять уровень в пределах от 0-40 мм до 0-16 м.
          Гидростатические уровнемеры. Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифманометры.
При включении дифманометра 1 по схеме, показанной на рис. 2.2(а) перепад давлений на нем будет равен гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально измеряемому уровню Н.

Рисунок 2.2 Измерения уровня дифманометрами: а — в открытой емкости; б—в емкости под давлением; в — для суспензий и шламов; 1— дифманометр; 2— уравнительный сосуд.


          Если жидкость в емкости находится под избыточным давлением, то дифманометр 1 включают по схеме, приведенной на рис. 2.2(б) причем его плюсовую камеру соединяют с пространством над жидкостью через уравнительный сосуд 2. Этот сосуд заполняют жидкостью, столб которой создает постоянное гидростатическое давление в плюсовой камере дифманометра. Поэтому измеряемый перепад давлений, равный разности гидростатических давлений жидкости в камерах дифманометра, будет пропорционален разности между уровнем в разделительном сосуде Нмах и измеряемым уровнем Н. Так как уровень в разделительном сосуде постоянен и известен, то его всегда можно учесть в показаниях прибора.
          При измерении уровня агрессивных жидкостей дифманометр защищается разделительными сосудами или мембранными разделителями, что позволяет заполнить его камеры и трубки не агрессивной жидкостью.
При измерении уровня суспензий и шламов, осадки которых могут забивать импульсные трубки дифманометров, их непрерывно продувают сжатым воздухом. В этом случае дифманометр 1 включают по схеме, приведенной на рис. 2,в. Импульсные трубки все время заполнены продуваемым воздухом.

При небольшом расходе воздуха его давление и минусовой камере оказывается равным давлению над жидкостью в емкости, а в плюсовой—давлению в жидкости. Поэтому перепад давлений в дифманометре будет равен гидростатическому давлению жидкости и, следовательно, пропорционален измеряемому уровню.

Емкостные уровнемеры. Работа таких уровнемеров основана на различии диэлектрической проницаемости жидкостей и воздуха. Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод 1 (металлический стержень или провод), расположенный в вертикальной металлической трубке 2 (рис. 2.3,(а)).

Рисунок 2.3. Емкостный уровнемер: а — устройство датчика; б — электрическая схема уровнемера; 1— электрод; 2 – труба.

Стержень вместе с трубой образуют конденсатор. Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости.
         Электрическая схема емкостного уровнемера приведена на рис. 2.3(б). Измерение электрической емкости первичного преобразователя Сх производится неуравновешенным мостом переменного тока, плечами которого являются индуктивности L1 и L2 емкость С1 и емкость первичного преобразователя Сх. При изменении уровня измеряется емкость Сх, что приводит к изменению выходного напряжения моста U.
         Емкостные уровнемеры могут измерять уровень не только жидкостей, но и твердых сыпучих материалов; извести и т. п.
Большое распространение получили емкостные сигнализаторы уровня. Для повышения чувствительности их электроды устанавливают в горизонтальном положении. В этом случае погрешность измерения не превышает 3 мм.
         Радиоизотопные уровнемеры. Такие уровнемеры применяют для измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в закрытых емкостях. Их действие основано на поглощении γ-лучей при прохождении через слой вещества.

В радиоизотопном уровнемере (рис. 2.4) источник 2 и приемник 10 излучения подвешены на стальных лентах 3, на которых они могут перемещаться в трубах 11 по всей высоте бака 1. Ленты намотаны на барабан 5, приводимый в движение реверсивным электродвигателем 7.

Рисунок 2.4.Радиоизотопный уровнемер: 1— бак; 2—источник излучения; 3—стальные ленты; 4— ролик; 5—барабан; 6— измерительное устройство; 7— реверсивный электродвигатель; 8 — блок управления; 9 — кабель; 10 — приемник излучения; 11 — трубы


           Если измерительная система (источник и приемник γ-лучей) расположена выше уровня измеряемой среды, поглощение излучения слабое и от приемника 10 по кабелю 9 на блок управления 8 будет приходить сильный сигнал. По этому сигналу электродвигатель 7 получит команду па спуск измерительной системы.

Таким образом, положение измерительной системы будет отслеживать уровень в емкости (точнее, она будет находиться в непрерывном колебании около измеряемого уровня). Это положение в виде угла поворота ролика 4 преобразуется измерительным устройством 6 в унифицированный сигнал — напряжение постоянного тока U.
Радиоизотопные уровнемеры типа УР-8 могут измерять уровень в емкостях высотой до 10 м. Аналогичный принцип использован в радиоизотопном сигнализаторе уровня ГР-8, источник и приемник излучения которого укрепляют снаружи емкости на необходимой высоте. При достижении измеряемой средой этого уровня включается сигнальное устройство.

Принцип действия волноводных радарных уровнемеров (рис.6) основан на технологии рефлектометрии свременным разрешением. Микроволновые радиоимпульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду, уровень которой нужно определить.

Рисунок 6.Волноводный радарный уровнемер для измерения уровня и уровня границы двух сред.

          Когда радиоимпульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии отражается в обратном направлении. Временной интервал между моментом передачи зондирующего импульса и моментом приема эхо-сигнала пропорционален расстоянию, согласно которому рассчитывается уровень жидкости или уровень границы раздела двух сред.

Интенсивность отраженного сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше диэлектрическая проницаемость, тем выше интенсивность отраженного сигнала.
         Ультразвуковые и акустические уровнемеры. Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно. При приеме отраженного импульса излучатель становится датчиком. Если излучатель 1 (рис. 5) расположен над жидкостью, уровнемер называется акустическим; если внутри жидкости ультразвуковым.

В первом случае измеряемое время будет тем больше, чем ниже уровень жидкости Н, во втором — наоборот.

Рисунок 1.5. Ультразвуковой и акустический уровнемеры: 1 — излучатель; 2 — электронный блок.


          Электронный блок 2 служит для формирования излучаемых ультразвуковых импульсов, усиления отраженных импульсов, измерения времени прохождения импульсом двойного пути (в воздухе или жидкости) и преобразования этого времени в унифицированный электрический сигнал. Например, акустический уровнемер ЭХО-1 используется для измерения уровня неоднородных (с переменной по высоте плотностью), кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей в банках высотой до 3 м и имеет выходной сигнал в виде постоянного тока.

2.1 Первичные преобразователи

Первичным преобразователем данного прибора является зонд, погружаемый в жидкость, уровень которой необходимо измерить. Имеются следующие типы зондов: коаксиальный, жесткий двухстержневой, жесткий одностержневой, гибкий двухпроводный и гибкий однопроводной. Зонды можно заказать из различных материалов и в различных исполнениях для применений с экстремальными температурами и давлением. Для правильного выбора зонда обратитmcя к таблице .

Полная длина зонда зависит от диапазона измерений и определяется как расстояние от верхней опорной точки до конца зонда (с учетом длины груза, если он используется).
           В процессе измерения могут появиться так называемые – зоны нечувствительности, что является важным аспектом при выборе первичного преобразователя. Зоной нечувствительности называется зона, в которой измерения являются нелинейными, либо точность измерений снижена. Если требуется измерение уровня вплоть до самого верха резервуара, можно удлинить патрубок и использовать коаксиальный зонд. В таком случае верхняя область нечувствительности сместится в удлинённую часть патрубка. Возможные зоны нечувствительности указаны на рисунке
2.1.


Рисунок
2.1

Также важным фактором при выборе первичного преобразователя является диапазон измерений. В таблице ниже приведены диапазоны измерений для каждого типа зонда. Поскольку диапазон измерения зависит от конкретных условий технологического  процесса, а также от факторов, которые описаны ниже в настоящем разделе, значения в таблице приведены для измерения чистых жидкостей.

На формирование эхо-сигнала могут повлиять различные параметры, поэтому максимальный диапазон может зависеть от следующих конкретных условий применения:

•  Наличия в резервуаре внутренних конструкций вблизи зонда.

•  Среды с более высоким значением диэлектрической проницаемости (εr) отражают лучше, следовательно, для них диапазон измерения больше.

•  Наличие пены и частиц в атмосфере резервуара также может ухудшить качество измерений.

•  Следует избегать применения для сред, которые вызывают большое налипание/загрязнение зонда, поскольку это может снизить диапазон измерения и привести к ошибочным показаниям уровня.

•  Для оптимальной работы однопроводного зонда в неметаллических резервуарах (например, бетонных или пластиковых) зонд следует монтировать с металлическим фланцем.

Не менее важным фактором является покрытие зонда:

•  Зонды с одним стержнем или проводом имеют определенные преимущества в случае применения уровнемера в условиях возможного загрязнения (поскольку для других типов зонда имеется опасность образования перемычек; между двумя стержнями или проводами, либо между внутренним стержнем и оболочкой у коаксиального зонда).  

•  Для вязких и налипающих жидкостей рекомендуется использовать зонды из PTFE. Может потребоваться периодическая очистка зонда.

•  Максимальная погрешность в связи с загрязнением/налипанием может составлять     1-10% в зависимости от типа зонда, диэлектрической постоянной, толщины и высоты налипания на поверхности зонда.

Ниже приведенная таблица может помочь в выборе первичного преобразователя

В таблице ниже: Р – рекомендуется, НР – не рекомендуется, З – зависит от условий применения.

3 Разработка измерителя уровня жидкости

3.1 Разработка структурной схемы и выбор СИТ

В основу структурной схемы разрабатываемого прибора возьмем блок – схему, изображенную на рисунке 3.1.1.

Рисунок 3.1 – Структурная схема

Общая структура волнового радарного уровнемера включает: излучатель сигнала 1 , генератор электрических импульсов 9, усилитель-формирователь 2, схему измерения времени 3, ячейку сравнения 4, усилитель 5, элемент обратной связи 6, блок температурной компенсации 10, помехозащищающее устройство 7, блок контроля работоспособности схемы 8. Генератор вырабатывает микроволновые наносекундные радарные импульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду. Когда радарный импульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии импульса отражается в обратном направлении. Разница во времени между моментом передачи радарного импульса и моментом приема эхосигнала пропорциональна расстоянию, согласно которому рассчитывается уровень жидкости. Интенсивность отраженного эхосигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше коэффициент диэлектрической проницаемости, тем выше интенсивность отраженного сигнала. Волноводная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерений уровня, поскольку радарные импульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, температуре и давлению.

3.2 Разработка электрической принципиальной схемы

На рисунке 3.2 приведена принципиальная схема измерителя уровня жидкости.

Рисунок 3.2  Принципиальная схема

В качестве микроконтроллера в разработанном измерителе использован AtMega 128 - маломощный 8-разрядный КМОП микроконтроллер, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре, что позволяет оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.

Рисунок 3.2  – Типовая схема включения микроконтроллера ATmega128

Порт  А (PA0...PA7) и порт  С (РС0...РС7) используются для подключения индикатора, который в свою очередь предназначен для вывода значения измеряемой величины.

Порт F (PF7..PF0)  действует как аналоговый ввод аналогово-цифрового преобразователя. В данном случае порт F используется для на аналого-цифровой преобразователь выходного напряжения аналоговой части измерителя.

Обмен данными между цифровым прибором и ПК осуществляется с помощью интерфейса по линиям RxD0 и TxD0.

RESET - вход сброса. Если на этот вход приложить низкий уровень длительностью больше минимально необходимой, будет генерирован сброс независимо от работы синхронизации. К выводу RESET подключается супервизор питания.

VCC  - напряжение питания цифровых элементов.

 GNDобщий.

AVCC - вход питания порта F и аналогово-цифрового преобразователя. Он должен быть внешне связан с VCC, даже если АЦП не используется. При использовании АЦП этот вывод связан с VCC через фильтр низких частот.

AREF - вход подключения источника опорного напряжения АЦП.

На рисунке 3.3 изображена цоколевка выводов микроконтроллера ATmega128.

Рисунок 3.3 - Цоколевка выводов ATmega128

Технические характеристики микроконтроллера ATmega128:

- Ядро: AVR;

- Разрядность: 8;

- Тактовая частота: (0…16) МГц;

- Объем ROM-памяти: 4;

- Объем RAM-памяти: 4;

- Внутренний АЦП, кол-во каналов: 8x10;

- Напряжение питания: (4.5…5.5)В;

- Температурный диапазон (-40...+85);

- Тип корпуса: TQFP64;

- Масса: 9.860г;

       - Производитель: Atmel;

       Одним из важнейших элементов принципиальной схемы прибора является жидкокристаллический индикатор. В данном приборе применяется LCD на базе HD44780. Его обозначение на схеме изображено на рисунке 3.4.

Риснок 3.4 – ЖК индикатор

На рисунке 3.5 изображена цоколевка выводов Жк индикатора

Рисунок 3.5 - Цоколевка выводов Жк индикатора

           Микросхема XTR 108 предназначена для усиления исходящего сигнала измерителя уровня жидкости. Внешене она выглядит в соответствии с рисунком 3.6.

                              Рисунок 3.6 - Микросхема XTR 108.

На рисунке 3.7 изображены наименования выводов микросхемы XTR 108.

 

Рисунок 3.7 – Наименования выводов микросхемы XTR 108

Ниже в таблице 3.1 перечислены назначения выодов микросхемы XTR 108.

Таблица 3.1 назначения выодов микросхемы XTR 108.

4 Описание алгоритма работы микроконтроллера

Для корректного функционирования любого прибора (в том числе и измерительной техники) с использованием микроконтроллера, необходима корректная реализация правильной и логичной последовательности действий (алгоритма). Иначе говоря, необходима программа, по которой будет работать микроконтроллер. Правильная реализация алгоритма выходит за пределы специальности, в рамках которой проводится данная исследовательская работа. Но для адекватного проектирования и разработки средств измерительной техники необходимо, хотя бы в общих чертах, уметь разрабатывать и представлять последовательность действий которую будет реализовывать данный прибор, т.е. по какому алгоритму будет реализовываться его программа.

В данном разделе разработан и приведен алгоритм программы (приложение) для микроконтроллера (на уровне блок схем). Этот раздел также содержит в себе краткое описание алгоритма работы программы. Следует заметить что в целях облегчения восприятия и понимания алгоритма программы, предположим, что программа будет писаться на языке высокого (или системного – зависит от предпочитаемой классификации) уровня - Си.

В первую очередь в любой программе необходимо описать переменные и реализовать процедуры инициализации используемых устройств. Устройствами, нуждающимися в инициализации, будут являться линии ввода-вывода портов A и C, аналого-цифровой преобразователь, УСАПП, два шестнадцатиразрядных таймера-счетчика ТС1 и ТС3, восьмиразрядный таймер-счетчик, интерфейс SPI.

Для начала инициализируем необходимые нам линии портов ввода-вывода, то есть настроим необходимые нам линии на ввод или на вывод, по необходимости. Настройка линий на осуществляется путем обращения к регистрам направления каждого отдельного порта,  т.е. командой DDRХ=Т которая задает режим работы линий (где Х-имя порта или линии порта ввода-вывода, а Т – значение в шестнадцатеричном коде).  В случае присвоения линии значения «1» (в двоичном коде) в регистре направления, линия будет настроена на выдачу данных, т.е. на вывод. В противном случае – на ввод. По умолчанию все линии настроены на ввод. Например, исходя из принципиальной схемы, можем заключить, что 8 линии порта А (А7 - А0) будут выдавать данные на индикатор. Следовательно, их нужно настроить на вывод. Т.е. во все разряды регистра управления порта А необходимо записать «1».

Таким образом, DDRА=11111111, при переводе этого значения в шестнадцатеричный код получим DDRA=0xff. Аналогичным образом поступаем для остальных портов нуждающихся в настройке.

Далее производим инициализацию АЦП. При этом в регистр управления мультиплексором ADMUX записываем 0х40, что соответствует выбору однополярного входа ADC0, и использованию AVCC в качестве опорного напряжения АЦП. В регистр управления и статуса АЦП записываем 0хff, что соответствует работе АЦП в режиме автоматического перезапуска.

Далее настраиваем УСАПП, выбирая режим работы, формат данных и скорость их передачи. После этого настраиваем восьмиразрядный таймер-счетчик в режим генератора, а также шестнадцатиразрядные таймеры-счетчики, которые будут использоваться как источники прерываний для передачи данных на ЖКИ и внешний ПК.

После инициализации всех используемых устройств запускается основной цикл программы, который включает в себя ожидание флага прерывания АЦП. При его появлении производится вычисление измеренного значения, в противном случае проверяются флаги прерываний от таймеров-счетчиков, а так же состояние внешних прерываний. После этого программа возвращается в начало основного цикла.

5. Разработка конструкции

На рисунке 5.1 представлен общий вид измерителя  уровня жидкости.

Рисунок 5.1

Корпус представляет собой цилиндр, изготовленный из алюминия с полиуретановым покрытием или из нержавеющей стали. Он состоит из двух отсеков и может быть отсоединён от зонда в случае необходимости.. Материал для изготовления корпуса выбран исходя из условий эксплуатации и экономических требований. Толщина стенок крышки и корпуса достаточна для обеспечения нормальной работы прибора согласно требованиям прочности, устойчивости, жесткости и характеристикам тепловых режимов работы. Корпус имеет такие габаритные размеры: длина 173 мм, димаметр 110 мм, толщина стенок корпуса 7 мм. Стандартно в корпусе имеется два отверстия для подвода кабеля.

Конструктивно корпус прибора состоит из двух отсеков, крепление которых между собой осуществляется с помощью четырех шурупов-саморезов. Для индикации измерений можно использовать встроенный дисплей или выносной 4-х разрядный жидкокристаллический индикатор модели 751 помещенный в корпус прибора.Питание поступает по сигнальному контуру (2 проводному), 11 – 42 В постоянного тока.

Внутри корпуса расположены печатные узлы измерителя и жидкокристаллического индикатора Печатный узел измерителя крепится к стойкам корпуса четырьмя винтами. Печатная плата – однослойная, чего достаточно для размещения ЭРЭ и печатного монтажа. ЭРЭ соединены с печатной платой пайкой, что обеспечивает надежность электрических контактов. Габаритные размеры печатной платы определяются в первую очередь характером применяемых элементов и плотностью их размещения и составляют 100×50 мм.

Навесные элементы расположены параллельно плоскости платы, что придало им требуемую жесткость. Радиоэлементы, обладающие наибольшей массой, установлены на печатную плату вплотную, и количество выводов у них способствует достаточно прочному и устойчивому креплению. Часть используемых элементов крепятся на печатную плату на нагруженных  выводах. Элементы, установленные на плату на частично нагруженных выводах, менее уязвимы, чем элементы на нагруженных выводах.

Печатный узел жидкокристаллического индикатора крепится у стойкам корпуса с помощью четырех винтов. Для защиты индикатора от внешних воздействий к крышке прибора с внутренней стороны приклеивается стекло. Для управления измерителем в крышке установлены 4 кнопки.

5.2 Расчет печатной платы

5.2.1 Расчет собственной частоты колебаний

Для расчета собственной частоты колебаний необходимы данные о размерах и материале печатной платы, а также о массе установленных на ней ЭРЭ. Данные о массе ЭРЭ приведены в таблице 5.1

Таблица 5.1 - Масса ЭРЭ, входящих в состав печатного узла

Тип элемента

Количество ni

Масса одного элемента mi, г

Микросхема AtMega128

1

2,7

Микросхема ADP3301-5AR

1

1,4

Микросхема AD620AN

1

1,4

Микросхема MAX 232

1

2,1

Микросхема MAX 809

1

1

Конденсатор

TAJC, 47 мкФ - 16 B

2

3,5

Конденсатор SMD 0805

2

0,55

Диод 1N5817

2

0,9

Резисторы SMD 0805

5

0,55

Резистор МЛТ – 0.25

6

0,25

Данные о печатной плате:

Толщина печатной платы Hп=2мм.

Длина печатной платы, а = 100 мм.

Ширина печатной платы, b = 50 мм.

Материал печатной платы - стеклотекстолит.

Выбираем расчетную модель, уподобляя печатную плату пластине с равномерно распределенной нагрузкой и точечным креплением (рис. 5.2).

Рисунок 5.2. Точечный способ крепления – в четырех точках

Для этого случая собственная частота колебаний f0 вычисляется по формуле:

,                                              (5.1)

где В – коэффициент, зависящий от количества точек крепления печатной платы;

m" – приведенная масса, кг/м2;

 Hnтолщина печатной платы, м;

 E модуль упругости материала оснований печатной платы, Н/м2.

Определим коэффициент В.  Для случая крепления печатной платы в четырех точках он вычисляется по формуле

.                                              (5.2)

Приведенную массу можно вычислить следующим образом

                                                 (5.3)

где mэ – суммарная масса навесных элементов печатного узла, кг

кг

Масса печатной платы mn определяется из уравнения:

кг,                (5.4)

где  - плотность материала платы, кг/м3.

Найденные данные подставим в формулу (5.3) и получаем результат:

кг/м2.

По формуле (5.1) определим собственную частоту колебаний:

Гц.

Рассчитываем коэффициент расстройки :

.                                                (5.5)

Проверяем выполнение условия:

,                                                    (5.6)

.

Условие не выполняется, следовательно, печатный узел работает не в резонансной области.

5.2.2 Расчет на жесткость

При расчете на жесткость и прочность печатный узел заменяется математической моделью в виде упругой балки по короткой стороне, что соответствует воздействию на элемент конструкции наибольших перегрузок и предъявлению более жестких требований по допускаемой амплитуде смещения, т.е. худшему случаю действия вибрации.

Определяем амплитуду смещения платы на собственной частоте колебаний из выражения:

м                                (5.7)

Вычислим показатель затухания для фольгированного стеклотекстолита, приняв логарифмический декремент колебаний :

.                                                (5.8)

Тогда коэффициент передачи  будет равен

.             (5.9)

Амплитуда смещения платы на максимальной частоте вибрации составит

м.                      (5.10)

Считая печатную плату балкой по короткой стороне, выберем расчетную модель по табл. 4.6 [6]. Нашему способу крепления печатной платы соответствует случай 4 в таблице (рис.5). Вычислим допускаемые напряжения в опасном сечении из условия статической прочности, приняв коэффициент запаса n=5:

Н/м2.                                            (5.11)

Вычислим допускаемый прогиб платы, приняв по табл. 4.6 [1] коэффициент КА=0,021:

м            (5.12)

Требуемая для безотказной работы печатного узла жесткость будет обеспечена при выполнении условия

А[Аст],                                                               (5.13)

где А – расчетный прогиб платы в динамическом режиме Ав или при статическом нагружении А0.

Проверяем выполнение неравенства (5.13):

Неравенство выполняется.

Из условия динамической прочности, вычислим допускаемое напряжение, при  и :

Н/м2                                   (5.14)

Определяем допускаемый прогиб платы при динамическом нагружении:

м

Проверяем выполнение неравенства для условия динамической прочности:

А[Адин]

 

Условие жесткости выполняется. Таким образом, можно сделать вывод, что выбранный способ крепления платы соответствует тем условиям, в которых будет эксплуатироваться данный прибор. В повышении жесткости и прочности узла нет необходимости.

Заключение

В данной работе был разработан радарный волновой измеритель уровня жидкости выполненный по наиболее точному методу. Результатом проделанной работы также является то, что полученный уровнемер обладает технологичной конструкцией и надёжными показаниями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Засоби та методи вимірювань неелектричних величин: за редакцією професора Є.С. Поліщука / Є.С. Поліщук, М.М. Дорожовець, Б.І. Стадник, О.В. Івахів, Т.Г. Бойко, А. Ковальчик, Т.І. Батенко. – Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2008.-615с.

2. Измерительные преобразователи: справочное пособие / К. Бридли. – М.:Энергоатомиздат, 1991. – 144с.

3. Электрические измерения физических величин: методы измерений: Учеб. Пособие для вузов / С. А. Спектор. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987.-320с.

4. Измерение электрических и неэлектрических величин / А.М Науменко, Г.А. Черепащук. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «ХАИ», 1987.-97с.

5. Измерительные преобразователя / Е.С. Полищук. – К.: Высшая школа. Головное издательство, 1981. – 291с.

6. Датчики / В.М. Шарапов, Е.С. Полищук, Н.Д. Кошевой. –  Москва: Техносфера, 2012. – 624 с.

7. www.ngpedia.ru/id308200p2.html.

8. http://www.3v-engineering.ru/information/1/3/

.


EMBED Visio.Drawing.6  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36165. Сервосистемы проигрывателя CD. Автофокусировка 124.5 KB
  Глубина резкости объектива d зависит от его числовой апертуры NA Numerical Aperture и от длины волны λ излучения лазера d = λ [2NA2] 1 Числовая апертура объектива определяется выражением: NA = n sinθ 2 где n – показатель преломления среды в которой распространяется свет; θ – угол под которым виден радиус входного зрачка объектива из точки пересечения его оптической оси с фокальной плоскостью рис. Изображение точки В при наличии астигматизма передается в виде горизонтального В' или вертикального В'' отрезка...
36166. Защита от ошибок в формате CD 52 KB
  Из теории помехоустойчивого кодирования известно что для коррекции t ошибок код должен иметь не менее 2t проверочных символов граница Синглтона. Значит каждый из них может исправить не более двух ошибок. Известно также что максимальное число гарантированно обнаруживаемых ошибок равно числу проверочных символов кода.
36167. SSD (Solid State Drive). Преимущества и недостатки 20.06 KB
  SSD логически эмулирует обычный жёсткий диск HDD и теоретически везде может применяться вместо него. SSD использующие динамическую память DRAM а не флэшпамять часто называются RAMdrive и имеют ограниченное применение например в качестве выделенного диска для файла подкачки ОС. Сердцем SSD является микросхема контроллера которая в первую очередь определяет такие ключевые характеристики SSD как внешний интерфейс быстродействие и энергопотребление. Преимущества и недостатки Преимущества SSD над HDD.
36168. Магнитные головки для записи информации на жесткий диск 112 KB
  Вначале это были монолитные головки. Композитные головки выполнены из феррита на подложке из стекла или твердой керамики и имеют меньшие размеры в сравнении с монолитными. Дальнейшим развитием технологии композитных головок стали так называемые головки MIGтипа MIG Metal In Gap.
36169. Технологии записи на магнитные диски 206 KB
  Домены магнитных материалов используемых в продольной записи располагаются параллельно поверхности носителя. Этот эффект и используется при записи цифровых данных магнитным полем головки изменяющимся в соответствии с сигналом информации. Попытки увеличить поверхностную плотность записи путем уменьшения размеров частиц будут увеличивать отношение размера зоны неопределенности к размеру полезной зоны не в пользу последней и в конце концов неизбежно приведут к так называемому суперпарамагнитному эффекту когда частицы перейдут в однодоменное...
36170. ОПТИЧЕСКИЕ ГОЛОВКИ 260 KB
  Задача эта непростая поскольку большинство оптических элементов адаптировано как правило для работы с излучением только одной длины волны. Вопервых необходимо было обеспечить приемлемое рабочее расстояние объектива при любой длине волны излучения. Вовторых обеспечить компенсацию сферических аберраций – также при любой длине волны излучения. Втретьих обеспечить изменение числовой апертуры объектива в зависимости от длины волны проходящего через него света.
36171. SuperAudioCD 87 KB
  Следует заметить что технология одноразрядного квантования используется сейчас и для преобразования звука в других форматах однако там полученный одноразрядный поток в конце концов всетаки приводится к последовательности многоразрядных отсчетов 16 20 24разрядных и в дальнейшем все операции по формированию потока данных перед записью на носитель производятся уже с ними. Этот слой является носителем данных DSD и считывается оптической головкой с числовой апертурой 06 лучом лазера с длиной волны излучения 650 нм. В процессе...
36172. Варианты формата CD 133 KB
  Такая версия компактдиска появилась в 1985 году и получила название CDROM Read Only Memory – память только для чтения. Поскольку диск CDROM предстояло использовать в составе вычислительных комплексов различной сложности то для него был разработан специальный дисковод легко вписывающийся в архитектуру компьютера. Дополнительное кодирование в CDROM производится до того как данные поступают на кодер CIRC точно такой же как в системе защиты от ошибок формата CDAudio. В формате CDROM эти 24 символа являются обезличенными и могут нести...
36173. ИЗГОТОВЛЕНИЕ BD-ДИСКОВ 401 KB
  Мастеринг BDдисков Существует три основные технологии мастеринга BDдисков: метод PTM иммерсионный метод и метод записи пучком электронов. Системы EBR Electron Beam Recorder использующие для записи пучок электронов наиболее дороги но позволяют получить очень высокое разрешение.1 иллюстрирует процесс формирования дорожки записи. Такая длина волны близка к длине волны излучения газовых лазеров которые применяются для записи оптических дисков в форматах CD и DVD.