Проектирование устройства для измерения статических характеристик электромагнитного двигателя

Введение

Ветер — это горизонтальное перемещение, поток воздуха параллельно земной поверхности, возникающее в результате неравномерного распределения тепла и атмосферного давления и направленное из зоны высокого давления в зону низкого давления Ветер — характеризуется скоростью и направлением.

Скорость ветра измеряется в метрах в секунду и километрах в час.

Еще ветер характеризуют его силой, то есть давлением, оказываемым им на единицу поверхности, которую, мы рассчитаем с помощью измеренных величин скорости ветра.

В данной работе предстоит ознакомиться с проблемами измерения скорости ветра и ее преобразование в силу. Описать существующие технические средства её измерения.

Даная ИИС будет разрабатываться для мониторинга силы ветра.

Пределы измерения по скорости от 0 до 15мс.

1. Методы измерения силы Сила — это всякое воздействие на данное тело, сообщающее ему ускорение или вызывающее его деформацию. Сила — это векторная величина, являющаяся мерой механического воздействия на тело со стороны других тел.

Сила характеризуется числовым значением, направлением в пространстве и точкой приложения.

За единицу силы в СИ принят ньютон (Н). Ньютон — это сила, которая придает массе 1 кг в направлении действия этой силы ускорение 1 м/с2.

В технических измерениях допускаются единицы силы:

· 1 кгс (килограмм-сила) = 9,81 Н;

· 1 тc (тонна-сила) = 9,81×103 Н.

Силу измеряют посредством динамометров, силоизмерительных машин и прессов, а также нагружением при помощи грузов и гирь.

Виды сил:

Сила инерции — фиктивная сила, вводимая в неинерциальных системах отсчёта.

Сила упругости — сила упругого сопротивления тела внешней нагрузке.

Сила трения — сила сопротивления относительному перемещению контактирующих поверхностей тел.

Сила сопротивления среды — сила, возникающая при движении твёрдого тела в жидкой или газообразной среде.

Сила нормальной реакции опоры — упругая сила, действующая со стороны опоры и противодействующая внешней нагрузке.

Силы поверхностного натяжения — силы, возникающие на поверхности фазового раздела. Силы Ван-дер-Ваальса — электромагнитные межмолекулярные силы, возникающие при поляризации молекул и образовании диполей.

1.1 Приборы для измерения силы

Силу измеряют посредством динамометров, гравиметров и прессов.

Динамоммемтр — прибор для измерения силы или момента силы, состоит из силового звена (упругого элемента) и отсчетного устройства.

Гравиметр — прибор для измерения ускорения силы тяжести. Различают два способа измерения силы тяжести: абсолютный и относительный.

Гидравлический пресс — это простейшая гидравлическая машина, предназначенная для создания больших сжимающих усилий .

Анемометр (от греческого анемос — ветер, и метрео — измерение) — измерительный прибор, предназначенный для определения скорости ветра, а также для измерения скорости направленных воздушных и газовых потоков.

Анемометр, как измерительный прибор, состоит из трех основных частей:

§ Приемное устройство (чувствительный элемент анемометра, первичный преобразователь анемометра);

§ Вторичный преобразователь (механический, пневматический или электронный блок анемометра);

§ Отсчетное устройство (указатель стрелки, шкала, индикатор, дисплей анемометра).

По принципу действия чувствительных элементов анемометры подразделяются на группы:

§ Заторможенные или динамометрические анемометры (трубки Пито — Прандтля);

§ Вращающиеся анемометры (чашечные, винтовые, крыльчатые анемометры);

§ Поплавковые анемометры;

§ Тепловые анемометры (термоанемометры);

§ Вихревые анемометры;

§ Ультразвуковые анемометры (акустические анемометры);

§ Оптические анемометры (лазерные, доплеровские анемометры).

Скорость воздуха является весьма важным параметром состояния атмосферы и одной из главных характеристик воздушного потока, которую необходимо учитывать при проектировании, монтаже, наладке и контроле систем вентиляции и кондиционирования. В качестве основного средства измерения скорости движения воздуха применяются анемометры, различающиеся между собой как по принципу действия, так и по техническим характеристикам.

В настоящее время промышленность предлагает широкий выбор переносных и стационарных электронных анемометров всевозможных марок и модификаций как отечественных, так и зарубежных фирм-изготовителей. При чем все анемометры отечественного производства и многие анемометры зарубежного производства внесены в Государственный реестр средств измерений России.

При выборе анемометра для решения конкретных практических задач по измерению скорости воздуха необходимо учитывать множество факторов, таких как диапазон измерений анемометра, погрешность измерения скорости воздушного потока, диапазон рабочих температур, степень защиты анемометра от воздействия агрессивных факторов окружающей среды и уровень взрывозащиты, влагозащищенность и водонепроницаемость анемометра, габаритные размеры, как самого прибора, так и чувствительного элемента анемометра и т. д.

Производство анемометров в современных условиях базируется на передовых технологиях и последних научных достижениях и разработках в области приборостроения, аэрологии, микроэлектроники, физики, химии и многих других областей знания. В новейших моделях анемометров для определения скорости воздушного потока производители применяют новые типы высокоточных датчиков и чувствительных элементов. Кроме этого, разработчики часто оснащают анемометры дополнительными функциями, позволяющими кроме определения скорости воздуха измерять объемный расход, температуру, направление воздушного потока, относительную и абсолютную влажность, освещенность, содержание вредных примесей и некоторые другие параметры, например, некоторые анемометры имеют в своем арсенале даже электронный компас. Большие многофункциональные и высококонтрастные жидкокристаллические дисплеи таких анемометров изготовители снабжают подсветкой, что позволяет производить измерение скорости воздушного потока и других параметров микроклимата в условиях недостаточной освещенности.

Рис 1. Анемометр лопастный, электронный с ЖК дисплеем.

Возросшие объемы измерения скорости воздушного потока и расхода воздуха диктуют необходимость оснащения анемометров большим объемом встроенной памяти. Немаловажное значение при этом приобретает и возможность подключения анемометра к персональному компьютеру, а также наличие в комплекте поставки анемометра специального программного обеспечения, предназначенного для проведения статистической обработки результатов измерений с применением новейших научно-обоснованных методик расчета. Использование такого программно-аппаратного комплекса для измерения скорости воздушного потока существенно облегчает регистрацию и ввод измерительных данных, повышая точность и достоверность анализа больших массивов информации и оказывая положительное влияние на качество выполненных работ и общее увеличение производительности труда.

С ростом требований, предъявляемых к измерительной технике, производители анемометров постоянно работают над повышением качества измерительных приборов, используя в производстве анемометров высококачественные электронные компоненты, комплектующие, сырье и материалы. Как правило, хороший анемометр наряду с прекрасными техническими характеристиками отличают богатая комплектация, детально продуманная эргономика и профессиональный дизайн.

Анемометры, предлагаемые многими разработчиками и изготовителями современных средств измерений, существенно различаются как по назначению, конструктивным и функциональным особенностям приборов, так и по ценам. При этом в условиях рыночной экономики цена анемометра не является объективным показателем качества измерительного прибора. При сравнении модельного ряда анемометров с целью рационального выбора и покупки конкретной модели измерительного прибора правильнее руководствоваться таким интегральным показателем, как соотношение цена-качество анемометра. Данный показатель позволяет всесторонне и наиболее полно оценить технические характеристики и функциональные возможности анемометра с точки зрения оптимального вложения денежных средств и затрат на покупку, транспортировку, хранение, ремонт, техническое и метрологическое обслуживание анемометра.

Так, например, из всех анемометров, представленных на российском рынке, самый низкий показатель качество-цена имеет анемометр АПР-2 (производство — ИГТМ НАНУ, Украина, Днепропетровск, продажа — ООО НПФ «Экотехинвест», Россия, Москва, цена анемометра АПР-2 — 1300 $).

Анемометры находят широкое применение для измерения средней скорости воздуха в системах вентиляции и кондиционирования (воздуховодах, каналах, коробах) промышленных и гражданских зданий, тоннелях метрополитенов, выработках шахт и рудников, для укомплектования лабораторий по охране труда при аттестации рабочих мест, а также для измерения средней скорости ветра при метеорологических наблюдениях.

2. Описание объектов измерения

2.1 Технические требования

Предел допускаемой основной погрешности: ±1%

Температура окружающего воздуха −30…+70°С Диапазон измерений: 0,7 — 15 м/с;

Напряжение питания: 220, 50Гц

2.2 Виды Анемометров

Рис 2. Лопастный анемометр

Ещё один анемометр — это лопастный

C изменением направления ветра ось пропеллера должна ориентироваться в этом же направлении; для этих целей используютсяфлюгер или устройство, его заменяющее. Для измерения скорости потока, не изменяющего своего направления, например, в воздуховодах шахтах и зданий, используются вертушки с жёстко закреплённой осью.

Однако в последнее время всё больше предпочитают использовать другие конструкции, без подвижных частей.

Тепловой анемометр

Представляет собой открытую тонкую нить накаливания (вольфрам, нихром и т. п.), нагретую выше температуры среды и охлаждаемую воздушным потоком. Сопротивление нити изменяется с температурой и определённым образом зависит от скорости ветра. В зависимости от схемы включения датчика различают приборы с фиксированным током через нить, фиксированным напряжением на нити и с фиксированной её температурой.

Конструкция имеет недостатки как очевидные (хрупкость), так и менее очевидные (нарушение градуировки из-за быстрого старения горячей проволоки), но в силу очень малой инерционности она широко применяются в аэродинамических экспериментах для измерения локальной турбулентности и пульсаций потока. Часто изготовляются самими экспериментаторами.

Рис 3. Ультразвуковой анемометр

Принцип действия анемометров ультразвукового типа — в измерении скорости звука, которая изменяется в зависимости от направления ветра. Различают двумерные ультразвуковые анемометры, трехмерные ультразвуковые анемометры и термоанемометры. Двумерный анемометр способен измерять скорость и направление горизонтального ветра. Трехмерный анемометр проводит измерение первичных физических параметров — времен проходов импульсов, а затем пересчитывает их в три компоненты направления ветра. Термоанемометр, помимо трех компонент направления ветра, способен измерять еще и температуру воздуха ультразвуковым методом.

3. Разработка структурной схемы ИИС

3.1 Структурная схема с использованием аналоговых датчиков Варианты преобразователя сигнала с датчика в код:

1. отдельные АЦП и МК Рис 3. Структурная схема измерителя скорости с внешним АЦП (PWM)

2. МК с поддердкой PWM

Рис 4. Структурная схема измерителя скорости с внутренним АЦП (PWM)

Для реализации устройства выберем структурную схему, так как с МК поддерживающим функцию ШИМ программирование будет проще, а шанс допустить ошибку меньше.

Элементы прибора:

датчик Холла микроконтроллер — оцифровывает сигнал с датчиков и выводит данные на монитор через COM порт.

4. Проектирование анемометра

4.1 Обоснование выбора типа ОМК Для реализации данного устройства больше всего подходит микроконтроллер типа PIC16628, так как имеет не высокую стоимость и необходимое число портов ввода/вывода, а так же большую распространенность и присутствие Datasheet (документация) на русском языке. В его внутренней конфигурации есть таймер, и присутствуют прерывания. На этом микроконтроллере и будет разрабатываться устройство.

4.2 Назначение отдельных функциональных блоков

4.2.1 Различные блоки

COM порт для вывода изображения на ПК.

Микросхема MAX232 является преобразователем уровней.

Рис Блок питания Рис МК PIC 16 628 Рис Кварц Рис Датчик Холла.

Рис Вал приводящийся в движение лопастями вращающимися под воздействием силы ветра.

5. Блок схема работы устройства

5.1 Datasheet PIC16F628A

Характеристика RISC ядра:

· Тактовая частота от DC до 20МГц

· Поддержка прерываний

· 8-уровневый аппаратный стек

· Прямая, косвенная и относительная адресация

· 35 однословных команд

— все команды выполняются за один машинный цикл, кроме команд ветвления и условия с истинным результатом Особенности микроконтроллеров:

· Внешний и внутренний режимы тактового генератора

— Прецизионный внутренний генератор 4МГц, нестабильность +/- 1%

— Энергосберегающий внутренний генератор 37кГц

— Режим внешнего генератора для подключения кварцевого или керамического резонатора

· Режим энергосбережения SLEEP

· Программируемые подтягивающие резисторы на входах PORTB

· Сторожевой таймер WDT с отдельным генератором

· Режим низковольтного программирования

· Программирование на плате через последовательный порт (ICSP) (с использованием двух выводов)

· Защита кода программы

· Сброс по снижению напряжения питания BOR

· Сброс по включению питания POR

· Таймер включения питания PWRT и таймер запуска генератора OST

· Широкий диапазон напряжения питания от 2.0 В до 5.5В

· Промышленный и расширенный температурный диапазон

· Высокая выносливость ячеек FLASH/EEPROM

— 100 000 циклов стирания /записи FLASH памяти программ

— 1 000 000 циклов стирания /записи EEPROM памяти данных

— Период хранения данных FLASH/EEPROM памяти > 100 лет Характеристики пониженного энергопотребления:

· Режим энергосбережения:

— 100нА @ 2.0 В (тип.)

· Режимы работы:

— 12мкА @ 32кГц, 2.0 В (тип.)

— 120мкА @ 1МГц, 2.0 В (тип.)

· Генератор таймера TMR1:

— 1.2мкА, 32кГц, 2.0 В (тип.)

· Сторожевой таймер:

— 1мкА @ 2.0 В (тип.)

· Двухскоростной внутренний генератор:

— Выбор скорости старта 4МГц или 37кГц

— Время выхода из SLEEP режима 3мкс @ 3.0 В (тип.)

Периферия:

· 16 каналов ввода/вывода с индивидуальными битами направления

· Сильноточные схемы портов сток/исток, допускающих непосредственное подключение светодиодов

· Модуль аналоговых компараторов:

— Два аналоговых компаратора

— Внутренний программируемый источник опорного напряжения

— Внутренний или внешний источник опорного напряжения

— Выходы компараторов могут быть подключены на выводы микроконтроллера

· TMR0: 8-разрядный таймер/счетчик с программируемым предделителем

· TMR1: 16-разрядный таймер/счетчик с внешним генератором

· TMR2: 8-разрядный таймер/счетчик с программируемым предделителем и постделителем

· CCP модуль:

— разрешение захвата 16 бит

— разрешение сравнения 16 бит

— 10-разрядный ШИМ

Адресуемый USART модуль :

5.2 Структура программы скорость ветер сила измерение Микроконтроллер выполняет следующие функции:

прием сигнала с датчика Холла;

преобразование результатов замера в десятичный формат;

вычисление PWM по принятым сигналам вычисление по заложенной таблице соотношений, количества оборотов расчетная скорость;

формирование управляющих импульсов индикации для последующей отправки на COM;

Программа содержит следующие участки программы:

INIT — производит перевод всех портов устройства в исходное состояние;

INT_START — обработчик прерываний;

DINAM — подпрограмма обновления состояния индикатора;

MAIN — основная програма;

6. Расчет силы ветра по его скорости Из-за того что влияние ветра на человека зависит от его скорости, эта характеристика была в основе первых классификаций ветра. Наиболее распространенной из таких классификаций является Шкала силы ветра Бофорта, что предоставляет собой эмпирическое описание силы ветра в зависимости от наблюдаемых условий моря. Сначала шкала была 13-уровневой, но начиная с 1940;х годов она была расширена до 18 уровней. Для описания каждого уровня эта шкала в оригинальном виде использовала термины разговорного английского языка, такие как breeze, gale, storm, hurricane], что были заменены также разговорными терминами других языков, такими как «штиль», «шторм» и «ураган» на русском. Так, по шкале Бофорта, шторм соответствует скорости ветра (усредненной за 10 минут и округленной до целого числа узлов) от 41 до 63 узлов (20,8−32,7 м/с), при этом этот диапазон делится на три подкатегории с помощью прилагательных «сильный» и «жестокий».

Таблица 1

Ветер в 5 баллов (8—10,7 метров в секунду) давит на поверхности тел нормально с силой около 10 кг, на каждый квадратный метр площади. Ветер, дующий со скоростью 20 метров в секунду, производит на встречные тела нормальное давление, равное 50 кг на квадратный метр поверхности. Ураганы, скорость которых достигает 50—60 метров, оказывают давление в 200 и более килограммов на квадратный метр! Можно выполнить оценочные расчеты ветряков и ветроколес по этим данным. У промышленных ветряков разрушение ротора при 60 м/c.

Если воздух полностью останавливается о препятствие то

где p — плотность воздуха. отсюда давление

7. Расчет потребляемых токов Расчет потребляемых токов сводится к тому, что необходимо определить суммарное потребление тока всеми микросхемами, то есть:

(4.1)

где Iобщ — общий ток, потребляемый устройством,

Ik — ток, потребляемый k-той микросхемой,

m — общее число микросхем,

n — число микросхем данного типа.

Токи, потребляемые каждой микросхемой, показаны в таблице 2

Таблица 2

Потребление токов микросхемами

Получаем общий ток потребления:

Расчет потребляемой мощности Расчет потребляемой мощности сводится к тому, что необходимо определить мощность потребляемую устройством, то есть:

(4.2)

где Робщ — общая потребляемая мощность,

Uпит — напряжение питания,

Iобщ — общий ток потребления.

Общая потребляемая мощность составляет не более 0,4 Вт.

7.1 Расчет надежности Интенсивность отказов характеризуется отношением числа изделий в единицу времени к числу изделий, продолжающих оставаться исправными к началу рассматриваемого промежутка времени:

где m — число изделий, отказавших за время t,

N — число исправно работающих изделий к началу промежутка времени.

Если предположить, что отказы различных элементов взаимно независимы и каждый отказ носит катастрофический характер, то есть полностью нарушают работоспособность, то интенсивность отказов устройства равна сумме интенсивностей отказов элементов, составляющих устройство:

где i — интенсивность отказов элементов i-го типа,

ni — количество элементов i-го типа входящего в устройство.

Наработка на отказ равна:

Интенсивность отказов элементов следующая:

микросхемы — 0.8510−6 (ч-1),

резисторы — 0.910−6 (ч-1),

конденсаторы — 1.410−6 (ч-1).

Тогда,

(ч-1)

Поскольку не учтена интенсивность отказа некоторых элементов примем что наработка на отказ составит около 30 000 часов. Такую надежность устройства можно считать приемлемой.

8. Расчет погрешности

8.1 Документированные погрешности элементов Погрешности датчика Холла:

приведенная погрешность ± 0,5%

основная погрешность ±0,1%

темп. коэффициент нестабильности напряжения 0,003%/10 °C.

Погрешности встроенного в МК АЦП:

интегральная нелинейность ±0,05%;

дифференциальная нелинейность ±0,040%;

погрешность смещения нуля (калибруется) ±0,050%;

погрешность диаметра (калибруется) ±0,090%;

погрешность резистора R ±0,1%

Заключение

В данной работе были рассмотрены и изучены приборы и измерения скорости.

Было разработано устройство измерения скорости Это устройство предназначено для измерения скорости и расчета силы ветра и отображения на цифровом табло её текущего значения.

Устройство реализовано на однокристальном микроконтроллере типа PIC16F628.

Применение в устройстве данного однокристального микроконтроллера привело к возможности оперативно меняя программу работы в широких пределах корректировать алгоритм обработки данных.

Устройство имеет следующие характеристики:

Потребляемая мощность не более 0,4 Вт;

Наработка на отказ около 30 000 часов;

Как одно из возможных улучшений можно предложить для увеличения быстродействия использовать другой МК PIC18XXX.

Приложения

1. Электрическая схема