Проектирование самодельного цифрового тахометра

1. Общее знакоместо с работой предприятия ОАО «КБ «Луч» — интеллектуальные технологии

ОАО «Конструкторское бюро «Луч» — современное, стабильно работающее и динамически развивающееся предприятие, которое с 1955 года трудится в научной сфере России.

В годы становления основным направлением деятельности Конструкторского бюро была разработка радиоэлектронной аппаратуры для бортовых авиационных и наземных измерительных комплексов. Первые разработки КБ — операционные усилители и серво усилители — широко использовались в авиационной технике. С начала 60-х годов основное направление деятельности КБ — разработка доплеровских измерителей скорости и угла сноса (ДИСС) для летательных аппаратов и разработка командных радиолиний наведения.

В настоящее время «визитной карточкой» КБ «Луч» является разработка комплексов воздушной разведки с применением беспилотных летательных аппаратов и информационно-командных радиолиний. Предприятие располагает научной и производственной базами, позволяющими реализовать полный жизненный цикл изделий: исследование, разработку, изготовление, испытания, постановку на серийное производство, выпуск малых серий, а также авторское сопровождение при изготовлении и эксплуатации изделий, продление их технического ресурса. В структуре предприятия имеются подразделения и специалисты, обеспечивающие выполнение всего комплекса работ по созданию сложных радиоэлектронных систем.

Самый известный комплекс с использованием беспилотных летательных аппаратов — это комплекс воздушной разведки «Типчак», предназначенный для ведения разведки в любое время суток. Комплекс может использоваться для мониторинга городских инфраструктур, нефтегазопроводов, лесных массивов.

Значительное место отведено вопросам международного сотрудничества. Демонстрация разработок ОАО «КБ «Луч» проводилась на международных выставках «МАКС», «Многоцелевые беспилотные комплексы в интересах ТЭК» и др. В ходе работы выставок к экспозиции Конструкторского бюро проявлялся высокий интерес со стороны российских и иностранных делегаций. Предприятие неоднократно награждалось на выставках и Салонах медалями и дипломами за передовые научно-технические, технологические и коммерческие решения по разрабатываемой продукции.

ОАО «КБ «Луч» ведет активную научно-исследовательскую работу по разработке передовых технологий и предлагает множество вариантов партнерского и инвестиционного сотрудничества. В последние годы, благодаря правильно выбранному курсу развития, компания занимает одно из лидирующих мест в отечественной радиоэлектронной промышленности. Наращивание производственного потенциала, внедрение новых и совершенствование существующих технологических процессов, комплексный подход и взаимодействие систем различных технических направлений, позволяют с уверенностью говорить о перспективах дальнейшего развития ОАО «Конструкторское бюро «Луч».

С 2004 года предприятие входит в состав Концерна радио строения «Вега».

2. Изучение технической и справочной документации методов и приемов проектирования, изготовления, диагностики, испытаний, консультации с руководителем

В ходе практики была изучена следующая литература необходимая для составления научно-технической документации для большинства приборов и схем:

1) ГОСТ 2.102−68 «единая система конструкторской документации. Виды и комплектность конструкторских документов»

2) ГОСТ РВ 15.203−2001 «Порядок выполнения ОКР»

3) ГОСТ РВ 15.210−2001 «Система разработки и постановки продукции на производство»

4) ГОСТ 2.105−95 «Единая система конструкторской документации. Общие требования к текстовым документам»

5) ГОСТ 2.701−84 «Единая система конструкторской документации. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению»

3. Выбор и обоснование объекта проектирования

Объектом проектирования является цифровой тахометр, который устанавливаете на любую установку для снятия и замеров оборотов двигателя, а также контроля работоспособности и поддержания оборотов двигателя в рабочих диапазонах. Данный элемент измерения является неотъемлемой частью в авиа и машиностроении.

Тахометр — прибор для измерения угловой или линейной скорости вращающихся или движущихся частей машин и механизмов. Тахометры широко применяются в системах, где необходимо контролировать скорость вращения. Наиболее часто встречающиеся в повседневной жизни тахометры — это автомобильные. Каждый автомобилист знаком с этим прибором. В настоящее время тахометром оборудован практически каждый автомобиль. И это не спроста. Тахометр помогает водителю контролировать режим работы двигателя и своевременно переключать передачи, что позволяет продлить срок службы автомобиля, сэкономить топливо и, что самое важное, повышает безопасность.

Данный прибор необходим для учета скорости вращения оборотов двигателя, и что не мало важно, его настройки и диагностики.

4. Изучение вопросов обеспечения требуемого качества изделия, безопасности жизнедеятельности, экологической чистоты, защиты интеллектуальной собственности Для ответа на вопрос об уровне качества следует дать определение что будет пониматься под этим понятием.

Качество продукции представляет собой совокупность свойств продукции, обеспечивающих ее пригодность к удовлетворению определенных потребностей в соответствии с ее назначением. Количественная характеристика свойств изделия, определяющих его качество, называется показателем качества. Показатель качества позволяет установить пригодность изделия удовлетворять потребности народного хозяйства в определенных условиях его эксплуатации.

Показатель, принимаемый за исходный при сравнительной оценке качества продукции, называется базовым. За базовые принимаются показатели качества лучших образцов продукции, производимых за рубежом и в нашей стране.

Относительная характеристика качества продукции основанная на сравнении совокупности показателей ее качества с соответствующей совокупностью базовых показателей, называется уровнем качества продукции.

Различают следующие группы показателей качества изделий:

1. показатели назначения (скорость, грузоподъемность, мощность)

2. показатели надежности (безотказность, время наработки на отказ)

3. экологические показатели, учитывающие санитарно — гигиенические требования (освещенность, температура, влажность, напряженность электрического и магнитного полей, запыленность)

4. показатели безопасности, отражающие требования, обеспечивающие защиту человека в условиях вероятности аварии.

5. эстетические показатели, характеризующие выразительность и рациональность формы, целостность композиции, совершенство исполнения, товарного вида, соответствие современному стилю.

6. показатели использование ресурсов (сырья, топлива, материалов, электроэнергии) Система обеспечения качества продукции.

Управление качеством — это комплекс действий, осуществляемых при разработке, производстве и эксплуатации продукции в целях установления, обеспечения и поддержания необходимого уровня его качества.

Содержание процесса управления качеством раскрывается через функции планирования, обеспечения контроля и регулирования качества продукции. Этот процесс предполагает необходимость:

1- планирование соответствующих показателей качества изделий на всех этажах жизненного цикла изделия;

2- координация технических, организационно — экономических и идейно — воспитательных мероприятий, обеспечивающих достижение запланированного уровня качества;

3- Установление фактического уровня качества продукции путем технического контроля и осуществления регулирующих воздействий в случае выявления отклонений качества от заданных параметров.

Каждое изделие характеризуется его жизненным циклом, состоящим из нескольких стадий: разработка, доставка потребителю, эксплуатация. Качество продукции формируется на всех этапах жизненного цикла. Основные предпосылки создания высококачественного изделия закладываются на стадии конструирования изделия и технологической подготовки производства. Подсчитано, что 50−70% общих причин дефектов готовой машиностроительной продукции связано с ошибками в конструкторских решениях, 20−30% с недостатками технологических процессов, 5−15% по вине рабочих.

Поэтому главная цель систем обеспечения качества состоит в том, чтобы выявить и устранить причины брака еще на стадии проектирования и таким образом уменьшить необходимость в большой программе контроля на стадии производства.

На стадии разработки идет процесс формирование качества изделия, которое зависит от используемых идей и способов их решения. На этой стадии важно добиться максимально возможного уровня качества.

При производстве изделия ставится задача обеспечить реализацию заложенного в изделии качества на стадии разработки.

При доставке изделий потребителям (транспортировки) ставится задача максимально возможно сохранить качество, достигнутое в процессе производства.

В эксплуатации ставится задача поддержания качества (потребительских свойств товаров) на заданном уровне.

Основы стандартизации.

Стандартизация — важный фактор управления качеством. Управление на всех этапах жизненного цикла изделия базируется на применении системы стандартов, которая включает в себя государственные, республиканские, отраслевые и стандарты предприятия. Отраслевые стандарты распространяются на объекты, не являющиеся объектами государственной стандартизации. Они утверждаются органами отраслевого управления. Стандарты предприятия являются документами, регулирующими деятельность предприятия. Они охватывают все стадии жизненного цикла изделия: научные исследования, подготовку производства новых изделий, производственный процесс и среду эксплуатации.

Стандарты являются организационно-методической основой системы обеспечения качества продукции регламентируют содержание и порядок осуществления технических, организационных и экономических форм воздействия на качество труда работающих и качество выпускаемой продукции. Применение стандартов ускоряет НТП и способствует достижению высокого качества, обеспечивая использование апробированных эффективных технических и организационных решений. Вместе с тем система стандартизации должна быть достаточно гибкой. Стандарты должны своевременно пересматриваться с учетом изменений, происходящих в технике, технологии и организации производства.

Сертификация систем обеспечения качества.

Выдвигается задача создания на наших предприятиях современных систем качества продукции и их сертификация на соответствие требованиям ИСО (международная организация по стандартизации). На базе стандартов ИСО серии 9 тысяч в стране разработаны и утверждены государственные стандарты: ГОСТ 40.9001−88, 40.9002−88, 40.9003−88. Системы обеспечения качества должны соответствовать требованиям этих стандартов. В этом случае они могут быть сертифицированы на соответствие требованиям ИСО, предприятия будут признаны полноправными участниками трудовых сделок на мировом рынке.

Организация технического контроля.

Под организацией технического контроля следует понимать проектирование и практическую реализацию процессов контроля качества изделия и производственно-технологических факторов, его определяющих на всех этапах разработки и выпуска продукции.

Организация технического контроля предполагает:

1. проектирование процессов контроля качества и разработку технологических карт контроля;

2. определение организационных форм осуществления контроля качества и формирование структуры органов, выполняющих контрольные функции;

3. разработку методов анализа брака и дефектов — создание информационного обеспечения системы контроля;

4. обеспечение кадров рациональным методом контроля.

Общие принципы рациональной организации технического контроля заключается в следующем:

1. технический контроль должен охватывать все элементы и стадии производственного процесса;

2. техника, способы и организационные формы контроля должны соответствовать особенностями контролируемой техники;

3. система организации контроля должна обеспечивать четкое распределение обязанностей и ответственности между исполнителями и различными подразделениями предприятия;

4. эффективность рациональной организации технического контроля в целом и отдельных его элементов, необходимо обосновать соответствующими экономическими расчетами.

Виды технического контроля.

В зависимости от места организации контроля и этапа производственного процесса различают следующие его разновидности

— входной контрольэто контроль сырья, материалов, полуфабрикатов, комплектующих изделий, поступающих от других предприятий и из своих производственных подразделений (из одного цеха в другой). Он осуществляется с целью обнаружения возможных дефектов и предупреждения брака при дальнейшем изготовлении продукции;

— операционный контроль — это контроль продукции или технологического процесса, выполняемый после завершения определенной производственной операции. Обычно он производится с помощью измерительного инструмента при выключенном станке и снятой со станка детали для измерения;

— приемочный контрольэто контроль готовой продукции после завершения всех технологических операций по ее изготовлению, в результате которого принимается решение о пригодности продукции к поставке потребителю.

В зависимости от степени охвата продукции контролем он может быть сплошным или выборочным. При сплошном контроле решение о качестве принимается по результатам проверки каждой единицы продукции. Но такой контроль является трудоемким, а следовательно, и дорогостоящим, а иногда и невозможным. При выборочном контроле решение о качестве контролируемой продукции принимается по результатам проверки одной или нескольких выборок из партии. Он применяется при большом количестве выпускаемых изделий и при устойчивом технологическом процессе.

Особым видом контроля качества продукции являются испытания. Испытанием называется экспериментальное определение значения параметров и показателей качества продукции в процессе функционирования или при имитации условий эксплуатации изделия при воспроизведении определенных воздействий на продукцию по заранее разработанной программе. Испытаниям могут подвергаться материалы, структурные составляющие изделия или готовые машины, а также технические системы, макеты, изготовляемые из тех же или иных специальных материалов в натуральную или удобную для испытания величину.

При испытании изделия подвергаются различным воздействиям вибрации, температуры, давления, излучений и так далее. При этом изучаются интересующие свойства продукции, их изменения под воздействием дестабилизирующих влияний и устанавливается устойчивость сохранения качества изделия.

В тоже время для обеспечения безопасности жизнедеятельности и экологической чистоты требуется выполнить следующие условия:

Безопасность проведения радиомонтажных работ:

— анализ условий труда при радиомонтажных работах;

— проектирование рабочего места радиомонтажника с учетом требований охраны труда;

— проектирование средств обеспечения безвредности работ (местного отсоса, освещения, электрозащитного устройства и др.)

Нормализация нервно-психических нагрузок на оператора при реализации информационных технологий:

— анализ психофизиологических нагрузок при обработке информации и их влияние на здоровье и работоспособность оператора;

— выбор и обоснование оснащения и организации рабочего места оператора в целях оптимизации нервно-психических нагрузок;

— организация режима труда и отдыха оператора.

Обеспечение электромагнитной безопасности при эксплуатации (наладке, регулировке) проектируемого объекта:

— анализ условий труда при наличии электромагнитного излучения;

— требования безопасности к конструкции источника излучения;

— расчет (выбор) экранирующих материалов (конструкций) для защиты персонала от облучения;

— требования безопасности к организации рабочего места и помещений при работе с источником облучения.

Нормализация вибро-акустических условий труда при реализации (эксплуатации, испытании) проектируемого объекта:

— характеристика источников шума (вибрации);

— расчет и оценка ожидаемых уровней шума (вибрации), воздействующих на персонал;

— технические решения по снижению шума (виброгенерирующих сил) в источнике их образования;

— обеспечение защиты персонала от шума (вибрации) на пути распространения звуковых волн Защита от статического электричества (СЭ):

— анализ условий образования и оценка ожидаемых уровней СЭ;

— последствия проявлений СЭ;

— технические рекомендации по снижению образования и накопления СЭ на оборудовании;

— защита персонала от опасных проявлений СЭ

5. Сравнительный анализ возможных вариантов практической реализации Существует много разновидностей тахометров и каждый из них находит своё применение. Тахометры бывают как портативными так и стационарными. По принципу действия они подразделяются на центробежные, магнитно-индукционные, электрические и электронные. Рассмотрим подробнее основные принципы действия тахометров.

Одними из первых были изобретены центробежные тахометры, работающие только благодаря энергии вращающегося механизма, сопряжённого с его осью.

Принцип действия центробежных тахометров основан на использовании действия центробежных сил на грузы, установленные на валу, которые в свою очередь приводят в движение стрелку.

В магнитно-индукционных тахометрах стрелка отклоняется под действием силы взаимодействия магнитных полей алюминиевого диска и вращающегося ротора с постоянными магнитами. Эти силы пропорциональны частоте вращения ротора.

Основой электрического тахометра служит тахогенератор — небольшой генератор постоянного тока. Напряжение с тахогенератора измеряется стрелочным вольтметром, проградуированным в единицах угловой скорости (об/мин).

Электронный тахометр, как правило, строится на микропроцессорном модуле который тактируется высокоточным и высокостабильным кварцевым генератором. Благодаря цифровой обработке сигнала и отсутствию аналоговых цепей в измерительном тракте, электронный тахометр является самым точным и стабильным среди всех прочих. Более того индикация у электронного тахометра не стрелочная, а цифровая.

Электронные тахометры самые современные и технически совершенные приборы среди всех выше перечисленных. Рассмотрим их более детально. Каждый электронный тахометр измеряет скорость, обрабатывая данные с дискретных датчиков. Эти датчики могут быть интегрированными в корпус прибора или подключаться к прибору посредством соединительных проводов.

Сами датчики могут быть контактными или бесконтактными, иметь различный выходной каскад типа «сухой контакт», «открытый коллектор» или «напряжение». В настоящее время чаще всего используются бесконтактные датчики с транзисторным выходом. Они надёжны, не имеют движущихся частей и «дребезга» по выходу. По принципу они могут быть индуктивными, емкостными или оптическими. Выходной каскад такого датчика представляет собой транзистор NPN или PNP структуры с открытым коллектором. Тем не менее многие электронные тахометры прекрасно работают и с механическими датчиками. Для этого в них предусмотрены цифровые фильтры дребезга контактов.

Электронные тахометры могут измерять скорость (частоту) следования сигналов с датчиков несколькими способами. Первый — считать количество импульсов за фиксированный интервал времени (метод временных ворот). Второй — измерять время между смежными импульсами и вычислять обратную функцию. Первый способ даёт достаточно большую погрешность на малых частотах, когда период следования импульсов сравним с периодом, за который совершается измерение. Второй способ технически более сложен, но и более универсален и позволяет динамично реагировать на изменение входной частоты, так как вычисление происходит по поступлению очередного импульса, а не по окончанию фиксированного интервала. Сложность реализации второго способа заключается в необходимости ведения в реальном времени высокоскоростного счёта (десятки мегагерц) на достаточно длительном интервале (интервал следования импульсов с датчика), что требует высокой разрядности счётчиков и их синхронизации. Но игра стоит свеч, т.к. достигается отличная точность и малая инерционность прибора в целом.

В некоторых случаях требуется не только измерять абсолютную скорость, но знать её направление, например нужно понять включен сейчас реверс или нет. Для решения такого рода задач некоторые электронные тахометры оборудуются дополнительным входом для подключения второго датчика. И тогда тахометр автоматически получает всю необходимую информацию для получения знака скорости. Этот механизм основан на принципе двухфазного счёта. Для его осуществления необходимо соответствующим образом установить датчики. Сигналы с датчиков должны представлять из себя пару меандров, сдвинутых друг относительно друга на половину периода. Следующие рисунки поясняют этот принцип. В первом случае сигнал на входе 2 опережает сигнал на входе 1 на половину периода, а во втором случае обратная ситуация.

Рисунок 4.1 Сигналы с датчиков двигателя Вращение в одну сторону

Рисунок 4.2 Сигналы с датчиков двигателя

Более интеллектуальные приборы имеют встроенные функции простейшей математической обработки данных. Это позволяет упростить установку датчиков. Если необходимо, например, измерять частоту вращения вала открытого редуктора, то удобно установить индуктивный датчик на зубчатое колесо. В таком случае параметр «Предделитель» устанавливается в значение, равное количеству зубцов и прибор адекватно отображает скорость вращения вала. Если в приборе предусмотрен только параметр «Множитель», то он устанавливается в значение обратное количеству зубцов. Возможен вариант, когда удобно установить датчик не на тот вал редуктора, скорость которого необходимо изменять, а на другой более доступный. Это так же решается правильно установленным множителем. Функция множителя также позволяет задавать коэффициент пересчета скорости в любую физическую величину. Например, прибор может показывать мгновенный расход жидкости или линейную скорость конвейерной ленты.

Тахометр может быть оснащен аналоговым выходом, который генерирует унифицированный аналоговый сигнал тока или напряжения, пропорциональный измеренному значению. Параметры преобразования обычно задаются из меню тахометра. Сигнал с аналогового выхода можно использовать для передачи информации на другие приборы. Такие как регистраторы, стрелочные индикаторы. Можно использовать аналоговый выход и для автоматического регулирования частоты вращения. К примеру пропорционально управляя приводом тормозного механизма. Счетчик времени наработки

Счетчик времени наработки предназначен для учета суммарной наработки оборудования. Данные счетчика могут быть использованы для своевременной замены изнашивающихся деталей оборудования или постановки последнего на плановый ремонт. Все рассматриваемые сегодня приборы имеют функцию счётчика времени наработки, но реализована она в них по-разному. Тахометр ТХ-01 измеряет время в течении которого на специальный вход прибора подается управляющий сигнал. ВЕХА-Т учитывает лишь реальное время наработки, когда показания скорости отличны от нуля. Значение времени наработки хранится в энергонезависимой памяти прибора и продолжают суммироваться, пока не будут сброшены оператором. Можно запрограммировать пороговое значение времени наработки, при превышении которого будет срабатывать внешний дискретный выход.

Ниже представлена схема квазианалогового электронного тахометра. Частота вращения коленвала двигателя отображается на упрощенной линейной шкале из светодиодов. Шкала цифрового тахометра состоит из девяти светодиодов. Каждый из них примерно соответствует 600 оборотам в минуту двигателя. На холостом ходу светится только первый светодиод. Регулировка тахометра осуществляется путем подбора сопротивления R6. В зависимости от него, можно настроить индикаторы на требуемое количество цилиндров. Можно поменять и цену деления.

Рисунок 4.3 Самодельный цифровой тахометр автомобильный индикатор В качестве источника импульсов для правильной работы цифрового тахометра может быть датчик Холла, который присутствует в электронной системе зажигания, датчик положения вала и другие. Главное чтоб датчик посылал на нашу схему импульсы, которые меняют сопротивление резистора R1.

Данная схема работает как простой частотомер. Импульсы, которые постоянно идут от датчика двигателя, поступают на счетный вход десятичного счетчика К561ИЕ8, и далее на светодиоды. Запитать схему можно от прикуривателя или разъема подключения автомагнитолы.

Диод VD1 КД522 защищает схему от неправильного подключения полярности питания. Датчик оборотов коленчатого вала шлет импульсы на базу транзистора VT1. Сопротивление R1 выбираем в зависимости от датчика (на схеме сопротивление подобрано для датчика Холла в бесконтактной системе зажигания карбюраторного двигателя). С выхода VT1 импульсы попадают на триггер Шмитта, выполненный на элементах D1.1-D1.2. Он преобразует импульсы в требуемую прямоугольную форму. Конденсатор С2 фильтрует помехи, в паре с резистором R4 он составляет фильтр, срезающий импульсы высокой частоты. С Выхода D1.2 импульсы поступают на счетчик.

Мультивибратор собранный на элементах микросхемы D1.3 и D1.4 генерирует тактовые импульсы частотой зависящей от R6. Эти импульсы идут на цепочку C3-R7, что формирует импульс для обнуления счетчика D2. Сверхяркие светодиоды HL1-HL9 подключены непосредственно к выходам счетчика К561ИЕ8. С помощью R9 можно регулировать яркость индикации.

Светодиоды 1−4 на печатной плате подключаются монтажным проводом.

Наладку конструкции начинается с расчета значения резистора R1 в соответствии от размаха входящих импульсов. Затем заменяем R6 последовательно включенными переменными резисторами на 1 Ом и постоянным на 10 кОм. Далее подкручиваем переменный резистор на максимальное сопротивление. Затем крутим его так, чтобы на холостом ходу двигателя загорелись только два светодиода. Отмечаем это положение подстроечного резистора. Затем уменьшаем сопротивление, чтобы горел только один светодиод. Затем регулируем резистор в среднем положение. Далее измеряем мультиметром полученное сопротивление R8.

Рисунок 4.4 расстановка элементов на печатной плате цифровой тахометр электронный индикация

Список использованных источников

1. Печаткин А. В. Сквозная программа практик: Методические указания к организации и проведению производственной и преддипломной практик студентов специальности 210 201 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РЭС, РГАТА // Электронный сборник. — Рыбинск, 2013.