Разработка цифрового измерителя мощности постоянного тока

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1 Метод непосредственной оценки

1.2 Методы сравнения

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

2.1 Наименование и область применения ИИС

2.2 Цель создания ИИС

2.3 Назначение ИИС

2.4 Характеристики ИИС

2.5 Требования к ИИС

2.5.1 Требования к структуре ИИС

2.5.2 Требования к функциям ОП

2.5.3 Требования к техническим параметрам ОП

2.5.4 Требования к средствам защиты от внешних воздействий

2.5.5 Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту

2.5.6 Требования к маркировке и упаковке

2.5.7. Требования к транспортировке и хранению

2.5.8 Требования по стандартизации и унификации

2.5.9 Требования по документации

2.5.10 Требования к надежности

2.5.11 Требования к безопасности

2.5.12 Требования по эргономике и технической эстетике

2.5.13 Требования к патентной частоте

2.5.14 Требования к утечке информации

2.5.15. Требования к техническому обеспечению

2.5.16 Требования к информационному обеспечению

2.5.17 Требования к организационному обеспечению

2.5.18 Требования к составу и содержанию работ по подготовке прибора к работе

2.6 Требования к метрологическому обеспечению

2.6.1. Порядок приемки и контроля

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

5. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАКЛЮЧЕНИЕ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Измерение физических величин является одним из способов познания окружающего нас мира и основным средством контроля различных технологических процессов.

Развитие науки и техники ускорило рост роли и объёма измерительной техники. Велико значение измерений при исследовании, производстве, настройки и эксплуатации различных радиоэлектронных приборов, устройств и систем. Измерение параметров элементов электрических цепей относятся к важнейшим измерениям, с которыми часто приходится встречаться на практике.

В настоящее время известен ряд методов измерения этих величин. Выбор метода измерения и измерительной аппаратуры, при конкретном измерении, зависит от многих условий (вида измерения, его значений, требуемой точности измерения и т. п.).

На современных промышленных предприятиях необходимо измерение значений мощности постоянного тока различными способами. В своей работе я спроектировал цифровой измеритель мощности постоянного тока с заданными характеристиками.

1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Измерение тока и напряжения осуществляется в цепях постоянного, переменного токов широкого диапазона частот и импульсных.

Наиболее высокую точность измерений получают в цепях постоянного тока. При измерениях в цепях переменного тока точность измерений снижается с повышением частоты; здесь кроме оценки среднеквадратичного, средневыпрямленного, среднего и максимального значений требуется наблюдение формы исследуемого сигнала и знание мгновенных значений тока и напряжения.

Если необходимая точность измерения, допустимая мощность потребления и другие требования могут быть обеспечены амперметрами и вольтметрами электромеханической группы, то следует предпочесть этот простой метод непосредственного отсчета. В маломощных цепях постоянного и переменного токов для измерения напряжения и тока обычно пользуются цифровыми и аналоговыми электронными вольтметрами. Если необходимо измерить напряжения с более высокой точностью, следует использовать приборы, действие которых основано на методах сравнения, в частности, на методе противопоставления.

1.1 Метод непосредственной оценки При использовании метода непосредственной оценки вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. При измерении напряжения на нагрузке R в цепи с источником энергии, ЭДС которого Е и внутреннее сопротивление R₀, вольтметр включают параллельно нагрузке.

Для уменьшения методической погрешности измерения напряжения мощность потребления вольтметра должна быть мала, а его внутреннее сопротивление велико (R₀> ?).

Измерение напряжения в цепях постоянного тока может быть выполнено любым измерителем напряжения, работающем на постоянном токе (магнитоэлектрическим, электродинамическим, электростатическим, электромагнитным, аналоговым или цифровым электронным вольтметром). Выбор измерителя напряжения обусловлен мощностью измерения и необходимой точностью. Диапазон измеряемых напряжений лежит в пределах от микровольт до десятка киловольт. Если объект измерения мощный, используются электромеханические вольтметры и мощность потребления ими не учитывается, если же объект измерения маломощный, то мощность потребления должна быть учтена, либо используются электронные вольтметры.

1.2 Методы сравнения Компенсационный метод (метод противопоставления) измерения заключается в уравновешивании, осуществляемом включением на индикатор равновесия либо двух электрически не связанных между собой, но противоположно направленных напряжений или ЭДС, либо двух раздельно регулируемых токов. Компенсационный метод используют для непосредственного сравнения напряжений или ЭДС, тока и косвенно для измерения других электрических, а также неэлектрических величин, преобразуемых в электрические.

В цепях постоянного тока мощность измеряют электроили ферродинамическим ваттметром. Мощность может быть также подсчитана перемножением значений тока и напряжения, измеренных амперметром и вольтметром.

В цепях однофазного тока измерение мощности может быть осуществлено электродинамическим, ферродинамическим или индукционным ваттметром. Ваттметр (рис. 1) имеет две катушки: токовую 2, которая включается в цепь последовательно, и напряжения 3, которая включается в цепь параллельно.

Ваттметр является прибором, требующим при включении соблюдения правильной полярности, поэтому его генераторные зажимы (зажимы, к которым присоединяют проводники, идущие со стороны источника 1) обозначают звездочками.

Рис. 1. Схема для измерения мощности Для расширения пределов измерения ваттметров их токовые катушки включают в цепь при помощи шунтов или измерительных трансформаторов тока, а катушки напряжения — через добавочные резисторы или измерительные трансформаторы напряжения.

Ферродинамический счетчик (рис. 2) устанавливают на э. п. с. постоянного тока. Он имеет две катушки: неподвижную 4 и подвижную 6. Неподвижная токовая катушка 4 разделена на две части, которые охватывают ферромагнитный сердечник 5 (обычно из пермаллоя). Последний позволяет создать в приборе сильное магнитное поле и значительный вращающий момент, обеспечивающий нормальную работу счетчика в условиях тряски и вибраций. Применение пермаллоя способствует уменьшению погрешности счетного механизма 2 от гистерезиса магнитной системы (он имеет весьма узкую петлю гистерезиса).

Чтобы уменьшить влияние внешних магнитных полей на показания счетчика, магнитные потоки отдельных частей токовой катушки имеют взаимно противоположное направление (астатическая система). При этом внешнее поле, ослабляя поток одной части, соответственно усиливает поток другой части и оказывает в целом небольшое влияние на результирующий вращающий момент, создаваемый прибором. Подвижная катушка 6 счетчика (катушка напряжения) расположена на якоре, выполненном в виде диска из изоляционного материала или в виде алюминиевой чаши. Катушка состоит из отдельных секций, соединенных с пластинами коллектора 7, по которому скользят щетки из тонких серебряных пластин.

Ферродинамический счетчик работает принципиально как двигатель постоянного тока, обмотка якоря которого подключена параллельно, а обмотка возбуждения — последовательно с потребителем электроэнергии. Якорь вращается в воздушном зазоре между полюсами сердечника. Тормозной момент создается в результате взаимодействия потока постоянного магнита 1 с вихревыми токами, возникающими в алюминиевом диске 3 при его вращении.

Для компенсации влияния момента трения и уменьшения благодаря этому погрешности прибора в ферродинамических счетчиках устанавливают компенсационную катушку или в магнитном поле неподвижной (токовой) катушки помещают лепесток из пермаллоя, который имеет высокую магнитную проницаемость при малой напряженности поля. При небольших нагрузках этот лепесток усиливает магнитный поток токовой катушки, что приводит к увеличению вращающего момента и компенсации трения. При увеличении нагрузки индукция магнитного поля катушки увеличивается, лепесток насыщается и его компенсирующее действие перестает возрастать.

При работе счетчика на э. п. с. возможны сильные толчки и удары, при которых щетки могут отскакивать от коллекторных пластин. При этом под щетками будет возникать искрение. Для его предотвращения между щетками включают конденсатор С и резистор R1. Компенсация температурной погрешности осуществляется с помощью термистора Rт (полупроводникового прибора, сопротивление которого зависит от температуры). Он включается совместно с добавочным резистором R2 параллельно подвижной катушке. Чтобы уменьшить влияние тряски и вибраций на работу счетчиков, их устанавливают на э. п. с. на резинометаллических амортизаторах.

Индукционный счетчик имеет два электромагнита (рис. 3), между которыми расположен алюминиевый диск 7. Вращающий момент в приборе создается в результате взаимодействия переменных магнитных потоков Ф1 и Ф2, созданных катушками электромагнитов, с вихревыми токами I_в1 и I_в2, индуцируемыми ими в алюминиевом диске.

В индукционном счетчике вращающий момент М должен быть пропорционален мощности P=UIcosб. Для этого катушку 6 одного из электромагнитов (токовую) включают последовательно с нагрузкой 5, а катушку 2 другого (катушку напряжения) — параллельно нагрузке. В этом случае магнитный поток Ф1 будет пропорционален току I в цепи нагрузки, а поток Ф2 — напряжению U, приложенному к нагрузке. Для обеспечения требуемого угла сдвига фаз между потоками Ф1 и Ф2 (чтобы sin = cos) в электромагните катушки напряжения предусмотрен магнитный шунт 3, через который часть потока Ф2 замыкается Рис. 2. Ферродинамический счетчик электрической энергии помимо диска 7.

Рис. 3. Индукционный счетчик электрической энергии Угол сдвига фаз между потоками Ф1 и Ф2 точно регулируется изменением положения металлического экрана 1, расположенного на пути потока, ответвляющегося через магнитный шунт 3.

Тормозной момент создается так же, как в ферродинамическом счетчике. Компенсация момента трения осуществляется путем создания небольшой несимметрии в магнитной цепи одного из электромагнитов с помощью стального винта.

Для предотвращения вращения якоря при отсутствии нагрузки под действием усилия, созданного устройством, компенсирующим трение, на оси счетчика укрепляется стальной тормозной крючок. Этот крючок притягивается к тормозному магниту 4, благодаря чему предотвращается возможность вращения подвижной системы без нагрузки.

При работе же счетчика под нагрузкой тормозной крючок практически не влияет на его показания.

Чтобы диск счетчика вращался в требуемом направлении, необходимо соблюдать определенный порядок подключения проводов к его зажимам. Нагрузочные зажимы прибора, к которым подключают провода, идущие от потребителя, обозначают буквами Я (рис. 338, б), генераторные зажимы, к которым подключают провода от источника тока или от сети переменного тока, — буквами Г.

2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

2.1 Наименование и область применения ИИС Объектом проектирования является цифровой измеритель мощности постоянного тока, предназначенный для контроля мощности в электрической цепи постоянного тока на промышленных предприятиях.

2.2 Цель создания ИИС Создание непрерывной системы измерения мощности постоянного тока, лишенной недостатков других систем, простой по конструкции.

2.3 Назначение ИИС Измеритель мощности постоянного тока предназначен для стационарного и дистанционного измерения текущего и среднесуточного значений мощности постоянного тока на промышленных предприятиях.

2.4 Характеристики ИИС Диапазон напряжения 0…30 В;

диапазон тока 0…10 А;

класс точности 0,5;

индикация десятичная 3 Ѕ ;

время измерения не более 0,5 с.

2.5 Требования к ИИС

2.5.1 Требования к структуре ИИС Цифровой измеритель мощности постоянного тока должен полностью удовлетворять требованиям измерения мощности на промышленных предприятиях.

2.5.2 Требования к функциям ОП Измерение средней мощности постоянного тока;

Измерение мощности методом сравнения мощности измеряемого сигнала термистора.

Преобразование частоты импульсов в десятичный цифровой код расхода;

2.5.3 Требования к техническим параметрам ОП Входными сигналами пульта должны быть последовательности импульсов, условно названные ОС и СС, частоты следования которых одинаковы. Для работы пульта достаточно наличия любой из этих последовательностей, другая является резервной.

Диапазон напряжения 0…30 В ;

диапазон тока 0…10 А;

класс точности 0,5;

индикация десятичная 3 Ѕ ;

время измерения не более 0,5 с. Входное сопротивление пульта — не менее 5 кОм.

2.5.4 Требования к средствам защиты от внешних воздействий При работе прибор должен быть защищен от воздействия пыли, прямого нагрева солнечными лучами или близко расположенными источниками тепла, вблизи прибора не должно быть сильных электромагнитных полей, поэтому для обеспечения нормального функционирования необходимо использовать кожух.

2.5.5 Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту Условия эксплуатации: датчик эксплуатируется в диапазоне температур от минус 50 до +50єС и относительной влажности до 98%; пульт — при температуре окружающей среды от 5 до 50єС, максимальная влажность воздуха — 80% при 35єС.

При работе пульта с аккумуляторами в буферном режиме подключить аккумуляторную батарею к контактам 1,2 разъема «Аккумулятор» через зарядное сопротивление, из расчета, что напряжение на контактах 1, 2 составляет 14−16 В и ток подзаряда не должен превышать 0,5 А. Категорически запрещается подключать к пульту незаряженные аккумуляторы.

Техническое обслуживание заключается в систематическом наблюдении за правильностью эксплуатации, регулярном техническом осмотре и устранение возникающих неисправностей.

Перед началом эксплуатации и периодически раз в три месяца необходимо панели плат и контакты разъемов протирать замшей, смоченной в этиловом спирте.

Порядок и сроки проведения профилактических работ: проверка крепления органов управления, плавности их действия и четкости — каждые 12 месяцев; проверка номиналов питающих напряжений — при необходимости; проверка работоспособности прибора не реже раза в 6 месяцев.

Проверка напряжений «Преобразователя напряжения» производится вольтметром класса не ниже 0,5 на контрольных точках. Напряжения должны соответствовать ряду: ±7 В, ±0,5 В, (24±4)В, ~1 В, ±0,2 В.

2.5.6 Требования к маркировке и упаковке Маркировка устройства должна содержать:

товарный знак;

наименование города, где расположено опытное предприятие;

наименование изделия и его шифр;

заводской шифр;

год выпуска;

знак, содержащий наименование изделия.

Транспортная маркировка на таре должна содержать манипуляционные значки: «Осторожно, хрупкое», основные, дополнительные и информационные надписи по ГОСТ 14 192–77.

Ящики внутри должны быть выстланы упаковочной бумагой марки БУ-6 по ГОСТ 515–77.

Пространство между изделиями должно быть заполнено изолирующими материалами или поставлены распорки, исключающие возможность перемещения изделий внутри ящика.

В ящик должны упаковываться техническое описание и паспорт, вложенные в папки из полиэтиленовой пленки под крышку ящика по ГОСТ 10 354–82.

Ящик, после укладки в него изделий, обмотать по торцам стальной лентой по ГОСТ 3560–73.

2.5.7 Требования к транспортировке и хранению В упакованном виде изделие может транспортироваться речным, воздушным, автомобильным и железнодорожным видами транспорта.

Транспортировка должна производиться в соответствии с требованиями, изложенными в документах: «Правила перевозки грузов», утвержденными Министерством речного флота; «Руководство по грузовым перевозкам на внутренних воздушных линиях», утвержденными Министерством гражданской авиации; «Общие правила перевозки грузов автотранспортом», утвержденными Министерством автомобильного транспорта; «Правила перевозки грузов», утвержденными Министерством путей сообщения.

Изделия должны храниться на стеллажах в вентилируемых помещениях при температуре окружающей среды от +15 до +40єС и относительной влажности не более 80%. при этом в окружающей среде должны отсутствовать агрессивные примеси.

Погрузочно-разгрузочные работы должны производиться в соответствии с ГОСТ 12.3.009−76.

Устройство в упаковке для транспортирования должно выдерживать по ГОСТ 12 997–84 воздействие транспортной тряски с ускорением 30 м/с при частоте от 10 до 120 ударов в минуту.

2.5.8 Требования по стандартизации и унификации

Стандартными элементами цифрового измерителя мощности постоянного тока для промышленных предприятий являются все используемые элементы конструкции и вся элементная база.

2.5.9 Требования по документации В комплект устройства должны входить: техническая документация и инструкция по эксплуатации.

2.5.10 Требования к надежности Средний срок службы прибора не менее 10 лет.

Вероятность безотказной работы за 1000 часов должна быть не менее 0,8.

2.5.11 Требования к безопасности Электрическая прочность изоляции между цепями электрического питания и корпуса пульта в нормальных условиях выдерживает испытательное напряжение переменного тока действующим значением 750 В и частотой 50Гц.

Электрическое сопротивление изоляции между цепями электрического питания и корпусом при нормальных условиях — не менее 20 Мом; при температуре окружающего воздуха50єС и относительной влажности 50−80% - не менее 5 Мом.

Электрическое сопротивление между внешним зажимом, подлежащим заземлению и корпусом прибора — не более 0,1 см.

Защита воздействия от электромагнитных полей должна соответствовать ГОСТ 12.1.006−84.

Корпус пульта должен быть приспособлен для заземления по ГОСТ 12.2.007−0-75 и ГОСТ 21.130−75.

Требования по первичным средствам пожаротушения должны соответствовать «Типовым правилам пожарной безопасности».

Безопасность эксплуатации устройства должна быть обеспечена наличием инструкции по технике безопасности при работе с данным оборудованием.

В пульте при работе от сети переменного тока имеется напряжение до 250 В, поэтому при эксплуатации, профилактических и регулировочных работах следует соблюдать следующие меры безопасности:

соединить клемму с заземлением рабочего места и отсоединить от него можно только после отключения пульта от сети;

перед каждым включением пульта необходимо проверить исправность как заземления, так и предохранителей;

любой элемент заменять только при отключенном от сети соединительном шнуре;

при регулировании и измерениях следует пользоваться надежно изолированным инструментом.

Персонал, работающий с прибором, должен быть проинструктирован по правилам техники безопасности при работе с электроизмерительными приборами с высоким напряжением и должен изучить паспорт и инструкцию.

Категорически запрещается работа с прибором без заземления, со снятым кожухом, установка и использование вместо сетевых предохранителей различного рода проволочных перемычек, включение прибора при наличии внешних неисправностей. Запрещается доработка монтажа и другие работы в блоках пульта, находящихся под напряжением.

Безопасность эксплуатации устройства должна быть обеспечена наличием инструкции по технике безопасности при работе с данным оборудованием.

Эксплуатировать устройство разрешается только при наличии инструкции по технике безопасности, утвержденной руководителем предприятия, на котором оно установлено, учитывающей специфику эксплуатации в условиях цеха.

Конструкция устройства должна отвечать требованиям, изложенным в «Правилах эксплуатации электроустановок», утвержденных Главгосэнерго-надзором, ГОСТ 12.2 003−74, ГОСТ 12.2.070−75.

2.5.12 Требования по эргономике и технической эстетике Художественно-конструкторское оформление изделия должно соот-ветствовать современным требованиям технической эстетики и инженерной психологии в соответствии с ГОСТ 12.2.03−74 и ГОСТ 12.2.032−78.

Эргономические требования по ГОСТ 12.2.049−80 и ГОСТ 12.2.032−78.

Требования по уровню шума должны соответствовать ГОСТ 12.1.003−76.

Требования к микроклимату должны соответствовать ГОСТ 12.1.005.-88.

Требования к освещению должны соответствовать требованиям к общей системе.

Покрытие наружной поверхности должно быть однородной по оттенкам, при этом не иметь подтеков и других дефектов, снижающих качество и ухудшающих внешний вид устройства.

2.5.13 Требования к патентной частоте Цифровой измеритель расхода воздуха должен обладать патентной частотой по СНГ.

2.5.14 Требования к утечке информации Каждое измерение должно быть самостоятельным и законченным, и, следовательно, требования по защите от утечки информации не предъявляются.

2.5.15 Требования к техническому обеспечению Устройство должно эксплуатироваться в условиях промышленных предприятий при предельных значениях эксплуатационных характеристик.

2.5.16 Требования к информационному обеспечению Прибор должен быть обеспечен техническим описанием, паспортом и инструкцией по применению.

2.5.17 Требования к организационному обеспечению Цифровой измеритель мощности постоянного тока должен быть пригодным к эксплуатации рабочим, который ознакомлен с функционированием и порядком работы с прибором.

2.5.18 Требования к составу и содержанию работ по подготовке прибора к работе Для обслуживания прибора должно быть достаточно оператора, работающего на щите управления приборами.

Перед началом работы убедиться в отсутствии внешних повреждений, механической работоспособности органов управления; поместить на сутки в сухое отапливаемое помещение.

Изучить паспорт, ознакомиться со схемой и конструкцией прибора. Проверить соответствие предохранителей их номиналам.

Соединить клемму «заземление» на задней панели с заземлением рабочего места.

Включить сетевой шнур прибора в сеть 220 В или соединить аккумулятор с соответствующим разъемом на задней панели пульта.

Установить тумблер «Питание» на задней панели пульта в положение «ВКЛ».

Прогреть прибор в течение 15 минут.

2.6 Требования к метрологическому обеспечению

2.6.1 Порядок приемки и контроля Цифровой измеритель мощности постоянного тока должен подвергаться приемно-сдаточным испытаниям. Перед приемно-сдаточными испытаниями прибор должен пройти технологическую приработку не менее 10 раз.

Цифровой измеритель должен успешно выдержать приемно-сдаточные испытания. Прибор, не сумевший это сделать, должен быть направлен обратно на производство для устранения дефектов и доработки. После устранения дефектов и доработки снова должен подвергаться в полном объеме приемно-сдаточным испытаниям.

3. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА Проектируемое устройство должен состоять из следующих блоков:

1. Первичный преобразователь;

2. Входной формирователь;

3. Генератор импульсов;

4. Управляемый делитель частоты;

5. Коммутатор;

6. Устройство коррекции;

7. Счётчик импульсов;

8. Устройство индикации.

Структурная схема измерителя мощности постоянного тока приведена на рис. 4

Входной формирователь выделяет полезный сигнал из сигнала первичного преобразователя и формирует прямоугольные импульсы.

Входной формирователь состоит из входного повторителя, фильтра нижних частот, порогового элемента. На рис. 4 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы входного формирователя.

Сигнал с первичного преобразователя поступает на входной повторитель, далее на фильтр нижних частот с частотой среза 35 Гц. Пороговый элемент преобразует синусоидально изменяющееся напряжение в прямоугольные импульсы и ограничивает их сверху и снизу на логических уровнях.

Рис. 4. Структурная схема измерителя мощности Рис. 5. Временные диаграммы:

1- сигнал после первичного преобразователя; 2 — входного повторителя; 3 — фильтра нижних частот; 4, 5 — порогового элемента.

Генератор импульсов состоит из задающего генератора и счётчика. Задающим генератором задаётся исходная частота прямоугольных импульсов, равная 32 768 Гц. С выхода счётчика снимаются импульсные сигналы частотой 1024; 512; 64 Гц, используемые в различных устройствах прибора.

Управляемый делитель частоты используется, как делитель частоты с переключаемым коэффициентом деления. Подключая входы, элементы сравнения к выходам соответствующих разрядов делителя, можно получить любой коэффициент деления от 1 до 9999 и соответственно время цикла измерения от 1/64 сек. до 156 сек.

За время такта (1/64 сек.) в коммутатор поступает 8 импульсов 512 Гц. На выходах коммутатора последовательно появляются импульсы длительностью 1/512 сек. (рис. 5).

Рис. 6. Временные диаграммы.

1 — импульсы после устройства коррекции; 2, 3, 4 — коммутатора; 5 — управляемого делителя частоты.

Устройство коррекции посылает пачку импульсов в счётчик.

Счётчик импульсов предназначен для подсчёта числа импульсов, поданный на её вход из устройства коррекции.

Устройство индикации служит для вывода информации о текущем расходе на индикаторы.

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ В настоящее время выпускается обширная номенклатура интегральных микросхем. Цифровые микросхемы включают в себя логические и арифметические устройства, триггеры, запоминающие устройства и микропроцессорные комплекты.

В основу классификации цифровых микросхем положены следующие признаки: вид компонентов логической схемы (биполярные, униполярные), способ соединения полупроводниковых приборов в логическую схему и вид связи между логическими схемами.

По этим трём признакам логические микросхемы классифицируются: РТЛ — схемы, входная логика которых осуществляется на резисторных цепях; РЕТЛ — схемы с резисторно-емкостными связями; ДТЛ — схемы, входная логика которых осуществляется на диодах; ТТЛ и ТТЛШ — схемы, входная логика которых выполняется многоэмиттерным транзистором; НСТЛМ — схемы с непосредственными связями на МОП-структурах; И2Л — схемы с совмещёнными транзисторами (интегрально-инжекционные логические).

РТЛ, РЕТЛ, и ДТЛ — схемы первого поколения микросхем низкочастотные с малой степенью интеграции снимаются с производства, появившиеся И2Л (серия К583 и др.), наоборот завоёвывают прочные позиции как наиболее перспективные биполярные схемы для БИС.

В основном цифровые микросхемы относятся к потенциальным схемам: сигнал на их входе и выходе представляется высоким и низким уровнями напряжений. Этим состояниям сигнала ставится в соответствие логические значения «1» и «0». К числу электрических параметров, которые достаточно полно характеризуют эти микросхемы различных серий и позволяют сравнивать их между собой, относятся: напряжение питания и логические уровни, потребляемая мощность и помехоустойчивость, нагрузочная способность и быстродействие.

Широкое применение для построения устройств автоматики и вычислительной техники находят цифровые микросхемы ТТЛ — серий К155, К555, К531. Эти микросхемы обеспечивают построение различных цифровых устройств, работающих на частотах до 50 МГц, однако, их существенным недостатком является большая потребляемая мощность. В ряде случаев, где не нужно такое высокое быстродействие, а необходима минимальная потребляемая мощность, находят применение интегральные микросхемы серий К176 и К561.

Разрабатываемый измеритель мощности постоянного тока реализован на четырнадцати микросхемах серии К561 и одной микросхем серии К176.

На основании выбранной структурной схемы разработана принципиальная схема цифрового измерителя. Основные узлы, входящие в состав измерителя мощности тока, представлены на принципиальной схеме.

Входной формирователь выполнен на операционном усилителе К153УД2 (рис. 7). Сигнал с первичного преобразователя поступает на входной повторитель DA1, далее на фильтр нижних частот DA2 с частотой среза 35 Гц. Пороговый элемент DA3 чувствительность устанавливается с помощью R9, преобразует синусоидально изменяющее напряжение в прямоугольные импульсы. Элемент R14, VD1 ограничивает их сверху и снизу на логических уровнях.

Рис. 7. Входной формирователь.

Генератор импульсов состоит из задающего генератора и делителя частоты (рис. 8). Задающий генератор собран на кварцевом резонаторе с частотой 32 768 Гц, микросхемах DD1.1. и DD1.2., резисторах R1, R2 и конденсаторах C1, C2. Конденсаторы С1 и С2 служат для подстройки точного значения частоты. Микросхема DD1.2 необходима для получения стандартных импульсов. Резистор R1 определяет глубину обратной связи, а R2 — нагрузку элемента DD1.1. Для построения делителя частоты можно взять классическую схему — на D-триггерах. Для упрощения схемы используем не отдельные логические элементы, а специализированный счётчик делитель. Счётчик DD3 представлен микросхемой К561ИЕ16 — четырнадцатиразрядный двоичный счётчик с последовательным переносом. У микросхемы два входа — вход установки начального состояния R и вход для подачи тактовых импульсов С. Установка триггеров счётчика в 0 производится при подаче на вход R лог. 1, счёт — по спадам импульсов положительной полярности, подаваемых на вход С. Коэффициент деления микросхемы составляет 214 = 16 384. С задающего генератора поступает исходная частота 32 768 Гц на вход С в счётчик DD3. С выхода счётчика снимаются импульсные сигналы частотой 1024; 512 и 64 Гц.

Рис. 8. Генератор импульсов.

Управляющий делитель частоты DD1.3, DD1.4, DD2, DD4, DD6, DD7, DD9 собран на микросхеме К561ЛН2 и К561ИЕ8.

Все выводы всех разрядов счётчика — делителя DD2, DD4, DD7, DD9 выведены на наборное поле (рисунке 9)

Микросхемы К561ИЕ8 удобно использовать в делителях частоты с переключаемым коэффициентом деления. В момент пуска на вход CP микросхемы DD2 начинают поступать счётные импульсы частотой 64 Гц. Переключателем S1 устанавливают единицы необходимого коэффициента пересчёта, переключателем S2 — десятки, переключателем S3 — сотни, переключателем S4 — тысячи. При достижении счётчиками DD2, DD4, DD7, DD9 состояния, соответствующего положениям переключателей, на всех входах элемента И-НЕ DD6.2 поступает лог. 1.

Рис. 9. Управляемый делитель частоты.

Этот элемент включится, на выходе инвертора DD1.4 появится сигналы лог. 1, сигнализирующий об окончании временного интервала. Происходит обнуление счётчиков и коммутатора, после цикл повторяется. За один такт (1/64 сек.) до этого срабатывает элемент сравнения DD6.1, который прекращает поступление импульсов от датчика в счётчик DD10, DD11 ключом DD5.2 и подаёт сигнал 512 Гц в коммутатор DD8 ключом DD5.1. За время такта (1/64 сек.) в коммутатор поступает 8 импульсов 512 Гц.

Коммутатор DD8 представлен на микросхеме К561ИЕ8 — десятичный счётчик с дешифратором (рис. 10). Микросхема имеет три входа — вход установки исходного состояния R, вход для подачи счётных импульсов отрицательной полярности CN и вход для подачи счётных импульсов положительной полярности CP. Установка счётчика в ноль происходит при подаче на вход R лог. 1. Переключение состояний счётчика происходит по спадам импульсов отрицательной полярности, подаваемых на вход CN, при этом на входе CP должен быть лог. 0. Можно также подавать импульсы положительной полярности на вход CP, переключение будет происходить по их спадам. На входе CN при этом должна быть лог. 1. Последний вид подключений использован для подключения коммутатора. На выходах коммутатора последовательно появляются, импульсы длительностью 1/512 сек.

Рис. 10. Коммутатор При появлении такого импульса на выходе «1» запускается генератор DD1.5, DD5.4 (f = 13 кГц) и посылает через ключ DD5.3 пачку импульсов коррекции в счётчик DD10, DD11. Количество импульсов в пачке устанавливается резистором R14. Сигнал с выхода «4» записывает состояние счётчиков DD10, DD11 в дешифратор DD15. При появлении сигнала на выходе «5» микросхемы DD8 происходит обнуление счётчика DD10, DD11. По окончанию такта, одновременно с делителем DD10, DD11 коммутатор обнуляется, а все ключи возвращаются в исходное состояние, начинается новый цикл измерения.

Устройство коррекции состоит из генератора DD1.5, DD5.4 и ключа DD5.3 (рис. 11). Задающий генератор собран на инверторах К561ЛН2, К561ЛА7, переменного резистора R16 и конденсатора C9. Количество импульсов в пачке устанавливается резистором R16.

Рис. 11. Устройство коррекции.

Счётчик DD10, DD11 реализован на двух микросхемах К561ИЕ10. Он содержит два раздельных четырёхразрядных двоичных счётчика, каждый из которых имеет входы CP, CN, R. Установка триггеров счётчика в исходное состояние осуществляется подачей на вход R лог. 1. Логика работы входов CP и CN отлична от работы аналогичных входов в микросхемах К561ИЕ8. Срабатывание триггеров микросхемы К561ИЕ10 происходит по спаду импульсов положительной полярности на входе CP при лог. 0 на входе CN (для К561ИЕ8 на входе CN должны быть лог. 1). Возможна подача импульсов отрицательной полярности на вход CN, при этом на входе CP должна быть лог. 1 (для К561ИЕ8 — лог. 0). Таким образом, входы CP и CN (инверсный) в микросхеме К561ИЕ10 объединены по схеме элемента И (в К561ИЕ8 — ИЛИ). При соединении микросхем в много разрядный счётчик с последовательным переносом выходы с весом 8 предыдущих счётчиков соединяют с входами CP последующих, а на входы CN подают лог. 0 (рис.12).

Рис. 12. Счётчик импульсов.

Для отображения цифровой информации представляют устройства, построенные с использованием статической и динамической индикации.

Способ статической индикации заключается в постоянной подсветке индикатора от одного источника информации, т. е. каждый из цифровых индикаторов блока индикации через собственный преобразователь кода (дешифратор) постоянно подключён к «своей» декаде счётчика. В нашем случае «затратами» на индикацию 4 знаков являются 44 соединительных проводников и 4 дешифраторов. С применением совмещённых микросхем, например счётчик — дешифратор или счётчик — дешифратор — индикатор, количество соединительных проводников значительно уменьшится.

Из-за большой экономии выбираем устройство отображения цифровой индикации, построенное с использованием динамической индикации.

Устройство индикации состоит из коммутатора DD14, DD15, дешифратора DD16, преобразователя DD17, индикаторов HG1 — HG4, транзисторов VT1 — VT4 и резисторов R13, R15, R17, R18.

Коммутатор реализован на микросхеме К561КП1 — два четырёхвходовых мультиплексора. Микросхема имеет два адресных входа А0 и А1, общие для обоих мультиплексоров, общий вход стробирования Е, информационные входы Х0 — Х3 первого мультиплексора и его выход, входы Y0 и Y3 и выход второго мультиплексора. При подаче на адресные входы А0 и А1 двоичного кода адреса и на вход Е лог. 0 выходы мультиплексоров соединяются с входами, номера которых соответствуют двоичному эквиваленту кода адреса. Если на входе Е лог. 1 выходы мультиплексоров отключаются от входов и переходят в третье, высокоимпендансное состояние.

Микросхема К561ИД1 — дешифратор на 10 выходов. Микросхема имеет 4 входа для подачи входного кода 1 — 2 — 4 — 8. Выходной сигнал с уровнем лог. 1 появляется на том выходе дешифратора, номер которого соответствует десятичному эквиваленту входного кода, на остальных выходах дешифратора при этом — лог. 0.

Преобразователь реализован на микросхеме К176ИД2.

Микросхема К176ИД2 — преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора, включает в себя также триггеры, позволяющие запомнить входной код. Микросхема имеет четыре информационных входа для подачи 1, 2, 4, 8 и три управляющих входа. Вход S определяет полярность выходных сигналов. При подаче лог. 1 на вход К происходит гашение индицируемого знака, лог. 0 на входе К разрешает индикацию. Вход С управляет работой триггеров памяти: при подаче на вход С лог. 1 триггеры превращаются в повторители и изменение входных сигналов на входах 1, 2, 4, 8 вызывает соответствующее изменение выходных сигналов. Если же на вход С подать лог. 0, происходит запоминание сигналов, имевшихся на входах 1, 2, 4, 8 перед подачей лог. 0 микросхема на изменение сигналов на входах 1, 2, 4, 8 не реагирует.

Со счётчика импульсов шестнадцатиразрядная информация поступает на входы X и Y микросхем DD14, DD15 (рис. 13). В качестве коммутирующих элементов в них используется двух направленные ключи. Выборка отдельного канала осуществляется по входам, А заданием в двоичном коде.

Рис. 13. Устройство индикации.

Информация об измеренных параметрах поступают на дешифратор DD15 с целью дальнейшего преобразования двоично-десятичный код числа в код семисегментного индикатора. Выходы дешифратора DD15 соединены с соответствующими сегментами индикатора. Работой устройства динамической индикации управляет счётчик DD3 и дешифратор DD14. Дешифратор DD14 вырабатывает тактирующий код, управляющий открытием транзистора, после чего начинает светиться индикатор.

Функциональная схема измерителя мощности постоянного тока приведена нам рисунке 14.

Рис. 14. Принципиальная схема приемной части двухканального индукционного измерителя расстояний и линейных перемещений.

Катушка датчика подключается к разъему XS2, расположенному на передней панели прибора. Вместе с конденсатором C1 она образует резонансный контур, к которому подключен неинвертирующий усилитель на операционном усилителе DA2.1. Его коэффициент усиления можно регулировать переменным резистором R11. С выхода микросхемы DA2.1 усиленное напряжение через конденсатор C8 подается на выпрямитель с удвоением напряжения, собранный на диодах VD3, VD4. Устройство сдвига нуля представляет из себя сумматор, собранный на операционном усилителе DA2.2, на который подается продетектированное напряжение и эталонное напряжение сдвига, снимаемое со стабилитрона VD5. При этом за счет подбора коэффициента усиления резонансного усилителя резистором R11 можно установить на выходе сумматора нулевое напряжение при исходном (нейтральном) положении катушек.

5. РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ Данные для расчета себестоимости

Стоимость машинного часа работы рассчитывается по формуле:

где — стоимость машинного часа работы, руб.;

— амортизация измерителя за 1 м/ч, руб.;

— стоимость электроэнергии за 1 ч работы, руб.

Амортизация компьютера за 1 м/ч вычисляется по следующей формуле где — стоимость компьютера, руб.;

— норма амортизации измерителя мощности постоянного тока;

— фонд рабочего времени в год, ч.

Следовательно, амортизация компьютера за 1 м/ч равна

руб.

Стоимость электроэнергии за 1 ч работы вычисляется по следующей формуле:

)

где — мощность измерителя, кВт/ч;

— стоимость 1 кВт электроэнергии, руб.

руб.

Используя теперь полученные значения, можно рассчитать стоимость 1 м/ч:

руб.

Затраты времени на написание программы

Затраты на оплату труда:

где — зарплата работника за час;

— отчисления с зарплаты, %;

— время написания программы.

Время написания программы совпадает с временем работы компьютера.

Заработная плата программиста за час определяется по следующей формуле:

где — ставка программиста, руб.;

— фонд рабочего времени в месяц, ч.

руб.

Заработная плата дополнительная определяется по следующей формуле:

где — заработная плата программиста, руб.;

— норма отчислений на дополнительную зарплату.

руб.

Зарплата общая вычисляется по следующей формуле:

где — зарплата общая, руб.

руб.

Отчисления на соцстрах, фонд занятости и пенсионный фонд вычисляются по следующей формуле:

где — отчисления на соцстрах (0,5% от), руб.;

— отчисления в фонд занятости (0,5% от), руб.;

— отчисления в пенсионный фонд (2% от), руб.

руб.

Затраты на оплату труда:

руб.

Себестоимость программы:

где — стоимость машинного часа работы, руб.;

— время написания программы;

— затраты на оплату труда.

руб.

Размер желаемой прибыли составляет 30%. Отсюда следует, что цена разработанной программы будет следующей:

где — цена программы, руб.;

— себестоимость программы;

— ожидаемая прибыль.

руб.

Выполним расчет затрат на выполнение работы при использовании товара за определенный период времени, например, год.

Рассчитывается стоимость часа работы устройства измерителя (потребляемая электроэнергия, амортизация), время работы за год. Определяется перечень необходимых специалистов, их оклад, занятость этим видом работы за год.

При работе с данным программным комплексом, предполагается, что n-разовый ввод экспериментальных данных займет около часа в течение дня. Таким образом, на ввод информации за год будет потрачено 365 часов. Кроме того, несколько часов в месяц потребуется для анализа полученных результатов. Следовательно, принимаем время работы за год равным 400.

Исходные данные для расчета экономической эффективности

Амортизация измерителя за 1 м/ч вычисляется по следующей формуле:

руб.

Рассчитаем основную заработную плату оператора по следующей формуле:

руб.

Дополнительная заработная плата оператора вычисляется по следующей формуле:

руб.

Общая часовая заработная плата оператора получается суммированием основной и дополнительной зарплат:

руб.

Отчисления на соцстрах, фонд занятости и пенсионный фонд вычисляются по формуле:

где — общая заработная плата оператора, руб;

16% - процент отчислений в бюджет.

руб.

Стоимость машинного часа равна:

руб.

Экономический эффект от внедрения программного продукта рассчитывается по формуле:

где — стоимость базового варианта обработки диспетчером;

— стоимость обработки информации с использованием программного продукта.

Стоимость первого варианта рассчитывается по формуле:

где — ставка диспетчера, руб;

— затраты времени на обработку информации вручную, ч;

— фонд рабочего времени в месяц, ч.

руб.

Стоимость обработки информации с использованием программы вычисляется по формуле:

где — ставка оператора, руб;

— фонд рабочего времени в месяц, ч;

— затраты времени на машинную обработку, ч;

— стоимость одного машинного часа, руб;

— стоимость программного продукта, руб.

руб.

Экономический эффект от внедрения данного программного продукта составляет:

руб.

Определим срок окупаемости капиталовложений:

где — стоимостьи змерителя, руб;

— стоимость программного продукта, руб.;

— экономический эффект, руб.

года, Определим экономическую эффективность от вложенных средств:

руб.

Вывод Общая себестоимость разработанной системы составила 2112,321 руб. Экономия от внедрения данного продукта составит 8661,54 руб. в год. При установленной цене продукта в 2746,0173 руб. срок окупаемости составит около 0, 8 лет. Таким образом, экономическая эффективность составляет 1,25.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте разработано устройство — цифровой измеритель мощности постоянного тока. Устройство соответствует техническим характеристикам задания. В конструкторской части произведен выбор элементной базы устройства согласно схеме электрической принципиальной. Выбран способ установки элементов и разработаны технологические карты процесса сборки платы устройства.

Предпосылки для создания высококачественных надежных приборов и устройств, выпускаемых с минимальными производственными затратами, определяются в первую очередь технологией. Информационная, особенно электронно-вычислительная техника ставит перед технологией изготовления радиоэлектронной аппаратуры наиболее сложные задачи.

Повышение качества и экономичности производства во многом зависит от уровня автоматизации технологического процесса. Предпосылки для широкой автоматизации производства элементов и блоков ЭВМ обеспечиваются высоким уровнем технологичности конструкции, широким внедрением типовых и групповых технологических процессов, а также средств автоматизации.

ЛИТЕРАТУРА

цифровой измеритель мощность ток

1. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов.-2-е изд., перераб. и доп. — М: Высш.шк., 1991

2. Гусев В. Г., Мулик А. В. Проектирование электронных аналоговых измерительных устройств: Учеб. пособие.-Уфа:УАИ, 1990

3. Гусев В. Г., Мулик А. В. Аналоговые измерительные устройства: Учеб. пособие.-Уфа:УГАТУ, 1996

4. Опадчий Ю. Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс):Учебник для вузов/Ю.Ф. Опадчий, О. П. Глудкин, А. И. Гуров;Под ред.О. П. Глудкина.-М.:Горячая линия-Телеком, 1999.

5. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство / Пер. с нем. под ред.А. Г. Алексеенко.-М.:Мир, 1982

6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники=Тnе art of electronics: В 3 т. / Перевод с англ. Б. Н. Бронина и др.-4-е изд., перераб. и доп.-М.:Мир.

7. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник/ [П.П.Мальцев и др.]. -М.: Радио и связь, 1994

8. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / М. И. Богданович, И. Н. Грель, С. А. Дубинина, В. А. Прохоренко, В. В. Шамило.-2-е изд., перераб. и доп.-Минск: Беларусь, Полымя, 1996

9. Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы: Справочное пособие / Под ред. С. В. Якубовского.-2-е изд., перераб. и доп.-М.:Радио и связь, 1985.