Розробка структурної схеми комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутової швидкості від часу

2 Розробка структурної схеми комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутової швидкості від часу

 

До складу розроблюємого пристрою входить первинний тахометричний перетворювач. Доцільно використати такий ТП, який буде мати аналоговий вихідний сигнал, прямо пропорційний куту повороту. Шляхом обчислення його першої похідной визначається кутова швидкість.

Аналогові диференціюючи пристрої мають велику похибку та вузький частотний діапазон, що не може задовільнити вимоги технічного завдання. Тому необхідно використати цифрове диференціювання вихідного сигналу ТП. Існують три види цифрового диференціювання [16]:

Перший тип - це дискретний диференціатор з усередненням. Принцип його дії полягає у відніманні через однакові інтервали часу миттєвих значень вхідного сигналу. Сигнал на виході диференціатора першого типу описується виразом

 (2.1)

де - інтервал дискретності.

Другий тип - це дискретний диференціатор з осередненням. У цьому диференціаторі віднімаються через однакові інтервали часу попередньо проінтегровані на цих інтервалах значення вхідного сигналу. Сигнал на виході диференціатора другого типу

, (2.2)

Цифровий диференціатор третього типу - це диференціатор з усередненням на частині інтервалу. У ньому віднімаються через однакові інтервали часу попередньо проінтегровані на частині цих інтервалів значення вхідного сигналу. Вихідний сигнал описується виразом

, (2.3)

Імпульсні характеристики диференціаторів першого, другого та третього типів описуються відповідно виразами

, (2.4)

 (2.5)

, (2.6)

де  - дельта-функція Дирака,

Провівши пряме перетворення Фур’є від імпульсних характеристик та відокремивши дійсну та мниму частини отримуємо частотні та фазові характеристики диференціаторів.

Для диференціатора першого типу

, (2.7)

. (2.8)

Для диференціаторів другого типу

, (2.9)

. (2.10)

Для диференціаторів третього типу

, (2.11)

. (2.12)

Вибір одного з цих трьох видів залежить від конкретного випадку, але кожен з них обумовлює необхідність використання аналого-цифрового перетворювача.

Розроблюємий пристрій призначен для високоточного вимірювання та контролю кутової швидкості та інших параметрів руху ЕМПЕ у динамічному режимі. Тобто він повинен працювати як в режимі реального часу так і обчислювати залежності кутової швидкості, кутового прискорення, кута повороту валу від часу. Це обумовлює необхідність реалізації пристрою на основі персональної ЕОМ.

Таким чином, пристрій буде складатись з двох структурних блоків :

- тахометричного перетворювача;

- блоку зпряження тахометричного перетворювача з ПЕОМ.

Для узгодження роботи аналого-цифрового перетворювача та мікропроцесора ПЕОМ необхідно використати порт уведення-виведення та схему його ініціалізації.

Для запуску аналого-цифрового перетворювача використовується генератор з кварцевою стабілізацією частоти. При відомому періоді частоти цього генератору можливе вимірювання залежностей параметрів руху від часу, не проводячи сумісних вимірювань часу.

Данні та керуючі сигнали порту уведення-виведення передаються на системну шину та ОЗУ ПЕОМ. Після проведення вимірювань необхідні залежності обчислюються у відповідності з схемою роботи пристрою.

Структурну схему розроблюємого пристрою наведено на рис. 2.1.

Рис. 2.1 - Структурна схема комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутової швидкості від часу

3 Розробка електричної принципової схеми комп’ютеризованої вимірювальної системи вимірювання залежності кутової швидкості від часу

3.1 Розробка електричної принципової схеми тахометричного перетворювача

Розглянемо рис. 3.1, на якому наведено схематичне креслення ТП. Він має вал 1, на який насаджено модулятор 2, за яким знаходиться діафрагма 3. За діафрагмою знаходяться два фотоприймача 4 та 5 (на рис 3.1, а вони також позначені відповідно F2 та F1. На рис. 3.1, б їх позначено штриховою лінією). Діафрагма (на рис. 3.1, б її позначено жирною лінією) має прорізі 6 та 7. Їх форма обмежена концентричними колами, центр яких співпадає з центром модулятору та промінями, які починаються в центрі модулятору, кут між якими дорівнює . Модулятор має дві прорізі - 8 та 9. Прорізь 8 має таку ж форму і розташована на такій же відстані від центру модулятора, як і прорізь 7 діафрагми. Форма прорізі 9 обмежена кривими  та .

Фотоприймач F1 реалізовано на основі пари фотодіод-операційний підсилювач. Вихідна напруга такого фотоприймача в залежності від площі освітлюємого шару фотодіоду, при освітленні джерелом світла з конденсорною лінзою, що забезпечує рівномірний світловий потік на всій освітлюємій поверхні, описується виразом.

Розглянемо, як залежить площа отвору, який утворюється при обертанні модулятора перекриттям прорізів 6 та 9 діафрагми та модулятору, через який світло попадає на фоточутливий шар фотодіоду фотоприймача F1, в залежності від кута повороту .

а) б)

Рис. 3.1 Схематичне креслення ТП

В діапазоні значень кута повороту  ця залежність описується виразом :

 (3.1)

В діапазоні значень кута повороту :

 (3.2)

Площа отвору, через який світло попадає на фоточутливий шар фотодіоду, є лінійною функцією кута повороту модулятора відносно діафрагми.

Вираз, який зв’язує вихідну напругу фотоприймача F1 з кутом повороту .

(3.3)

Шляхом нескладних перетворень отримуємо вираз, який зв’язує напругу U та кут повороту модулятора відносно діафрагми.

 (3.4)

Як слідує з виразу (3.4), по вихідній напрузі фотоприймача F1 не можна точно визначити кутовє положення чи кутову швидкість валу об’єкту досліджень.

Тому використовується фотоприймач F2, призначення якого полягає у формуванні сигналу, який приймає значення логічної одиниці при  та логічного нуля в іншому випадку. Його функціональну схему наведено на рис. 3.2, а працює він слідуючим чином.

При обертанні модулятору перекриваються прорізі 7 та 9 модулятора та діафрагми. Площа освітлюємого фоточутливого шару фотодіоду фотоприймача F2 при вище описаній формі прорізів модулятора та діафрагми змінюється за трикутним законом. Відповідно за трикутним законом змінюється і вихідна напруга U_F операційного підсилювача DA1. Внаслідок того, що прорізі 7 та 8 мають рівну кутову ширину, а прорізь модулятора 8 розташована на вісі , при чому ця вісь співпадає з бісектрисою кута, проміні якого обмежують конфігурацію цієї прорізі, проміжок часу між серединами фронтів трикутної напруги співпадає з часовим проміжком формування заднього фронту напруги U. Для формування імпульсу напруги U_C, який свідчить про те, що кут повороту модулятора відносно діафрагми знаходиться в межах , служить компаратор DA2, на неінвертуючий вхід якого подається опорна напруга U_П, яка дорівнює половині амплітуди напруги U_F, а на інвертуючий вхід - напруга U_F.

Виходячи з вище сказаного, можна записати рівняння перетворення ТП.

.

 (3.5)

Рис. 3.2. Функціональна схема фотоприймача F2.

Рис. 3.3. Часові діаграми роботи ТП

Вираз, що зв’язує вимірюєму кутову швидкість з вихідною напругою ТП

, (3.6)

 

Рівняння, що зв’язує кут повороту модулятора відносно діафрагми з вихідною напругою ТП

, (3.7)