Приборы общего и специального назначения со встроенными микропроцессорами для измерения физических величин

Приборы общего и специального назначения со встроенными микропроцессорами для измерения физических величин

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) Филиал ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) в г. Златоусте

Факультет «Техники и технологии»

Кафедра «Электрооборудование и автоматизация производственных процессов»

Реферат по метрологии  по теме: «Приборы общего и специального назначения со встроенными микропроцессорами для измерения физических величин» Вариант №04

Выполнил:

студент группы ФТиТ-203 /Галиуллин Д. В./

Златоуст 2014

План

Введение

. Функции микропроцессоров в измерительных приборах

. Цифровые вольтметры постоянного тока с время - импульсным преобразованием

. Цифровой частотомер

. Цифровой спидометр

. Цифровой термометр

. Цифровые весы

Выводы

Список использованной литературы

Аннотация

В данном реферате рассмотрены преимущества использования микропроцессоров в измерительной технике. Рассмотрены измерительные приборы, в которых используются микропроцессоры. Работа производилась на основании источников посвященным измерительным приборам и микропроцессоров. Реферат предназначен для студентов технических специальностей, желающих получить знания по метрологии.

Введение

Микропроцессорная техника получает все большее применение в приборостроении. Применение микропроцессоров (МП) преобразует измерительные приборы в «интеллектуальные» устройства, способные производить необходимую математическую обработку измерительной информации и представлять ее в наиболее удобном для восприятия виде.

В случаях, когда измерительные приборы выполняются в виде отдельных устройств, не связанных с информационно-измерительной системой, микропроцессоры обеспечивают весь необходимый комплекс обработки информации. В случаях, когда прибор входит в качестве звена в информационно-измерительную систему, микропроцессор производит либо полную обработку информации, либо предварительную обработку данных, оставляя задачи полной обработки информации за вычислительной частью информационно-измерительной системы.

Кроме задач математической обработки измерительных параметров микропроцессор выполняет функции управляющего устройства, обеспечивающего .подключение необходимых элементов приборов, прием командных сигналов, передачу выходных данных и др.

В зависимости от типов измерительного прибора и примененного микропроцессора возможна различная структура «интеллектуального» прибора. Возможно применение в приборе нескольких микропроцессоров, один из которых выполняет функции управления, в то время как другие выполняют задачи обработки информации.

Микропроцессоры получают значительное применение во всех основных направлениях развития информационно-измерительной техники.

1. Функции микропроцессоров в измерительных приборах

В приборах для измерения электрических и неэлектрических величин микропроцессоры выполняют следующие основные функции:

) автоматическую установку пределов измерения, корректировку аддитивных и мультипликативных погрешностей;

) автоматическое управление процессом уравновешивания в приборах сравнения постоянного и переменного токов;

) первичную обработку данных - определение отклонений от номинальных значений, определение моментов приближения к граничным условиям, вычисление отношений максимума-минимума, именованных значений отсчетов, умножение и деление на константы;

) статистическую обработку данных: определение средних значений контролируемых величин за определенные интервалы времени, вычисление вариаций, дисперсий, средних квадратических значений и др.;

) обработку данных по упрощенным алгоритмам: определение контролируемых параметров по измеренным значениям и известным зависимостям-определение расхода с вычислением по формулам, определение температур с учетом нелинейности характеристик термоэлементов и температуры окружающей среды, сглаживание полученных значений и др.;

) обработку данных по алгоритмам, реализующим метод измерения: определение скоростей движения и значений расхода на основе корреляционных методов, определение параметров объекта на основе спектрального анализа сигналов и др.;

) регистрацию данных в буферных (транзитных) регистраторах: управление частотой отсчетов, рациональное использование буферной памяти, подготовку данных к передаче в блоки основной регистрации;

) визуализацию и регистрацию данных на осциллографах и дисплеях: управление процессом визуализации, организацию памяти, формирование знаков, управление цветом, формирование маркерных меток и др.;

) диагностику функциональных узлов приборов: определение перед началом измерения исправности основных узлов сложных приборов, организацию тестов контроля и индикацию неисправностей;

) управление работой узлов, выполняющих отдельные функции измерительного преобразования, в частности работой аналого-цифрового преобразователя и др.;

) полное управление процессом измерения по заданной программе, включая управление внешними блоками, дополнительными устройствами (в том числе переключателями, вентилями, микродвигателями), для приборов, измеряющих неэлектрические величины.

Указанные выше области применения микропроцессоров в измерительных приборах относятся к отдельным приборам, не входящим в систему. В приборах, входящих в измерительную систему, микропроцессоры используются также для связи приборов в единый комплекс, кодирования и декодирования данных, передаваемых по каналам связи, повышения надежности системы путем защиты данных от искажений, сжатия данных и других задач, характерных для информационно-измерительных систем.

Измеряемое постоянное напряжение преобразуется в интервал времени, который измеряется цифровым измерителем путем заполнения интервала счетными импульсами. Число импульсов, сосчитанное счетчиком измерителя, пропорционально напряжению. Цифровое отсчетное устройство показывает непосредственно измеряемое значения напряжения.

Напряжение измеряется циклами, задаваемыми схемой управления. В зависимости от ее структуры управление осуществляется вручную или автоматически, измерения могут быть однократными или периодически повторяющимися, с выдержкой результата или автоматическим его сбросом.

Схема цифрового вольтметра с время - импульсным преобразователем

В начале цикла импульс, посылаемый схемой управления (тактовый импульс), сбрасывает на нуль показание счетчика, полученное во время предыдущего цикла, и запускает генератор пилообразного напряжения. В результате сравнения пилообразного напряжения с нулевым уровнем в схеме сравнения 2 и с постоянным напряжением U_изм в схеме сравнения 1 возникают импульсы 1 и 2 (рис. а, б и в), разделенные интервалом времени Δt, пропорциональным U_изм.

Этот интервал измеряется цифровым измерителем (рис. г, д, е).

Благодаря использованию микропроцессоров в цифровых вольтметрах, мы получаем следующие преимущества:

высокая точность измерений;

широкий диапазон измеряемых значений напряжений;

индикация результатов измерений в цифровой форме;

возможность автоматического выбора шкал и полярности, подключения цифропечатающего устройства для механической регистрации результата, ввода информации об измеряемых величинах в ПК, применения для телеизмерений, превращения в измеритель сопротивлений или измеритель отношений двух напряжений.

Графики, поясняющие работу время - импульсного цифрового вольтметра

. Цифровой частотомер

Примером такого измерительного прибора может стать пятиразрядный частотомер с цифровой индикацией результатов измерения, разработанный в радиокружке станции юных техников г. Березовский Свердловской области под руководством В. Иванова. Прибор позволяет измерять частоту электрических колебаний в пределах 100...99999 Гц и может быть использован для настройки различных генераторов, электронных часов, устройств автоматики. Амплитуда входного сигнала - 1...30 В.

Структурная схема частотомера показана на рисунке 130. Его основные элементы: формирователь импульсного напряжения сигнала fх измеряемой частоты, генератор образцовой (эталонной) частоты, электронный ключ, счетчик импульсов с блоком цифровой индикации и управляющее устройство, организующее работу прибора. Принцип его действия основан на измерении числа импульсов, поступающих на вход счетчика в течение строго определенного времени, равного в данном приборе 1 с. Этот необходимый измерительный интервал времени формируется в блоке управления.

Структурная схема цифрового частотомера

Сигнал fх, частоту которого надо измерить, подают на вход формирователя импульсного напряжения. Здесь он преобразуется в импульсы прямоугольной формы, частота следования которых соответствует частоте входного сигнала. Далее преобразованный сигнал поступает на один из входов электронного ключа, А на второй вход ключа подается сигнал измерительного интервала времени, удерживающий его в открытом состоянии в течение 1с. В результате на выходе электронного ключа, а значит, и на входе счетчика появляется пачка импульсов. Логическое состояние счетчика, в котором он оказывается после закрывания ключа, отображает блок цифровой индикации в течение интервала времени, устанавливаемого устройством управления.

. Цифровой спидометр

Показания скорости считываются специальным датчиком VSS (Vehicle Speed Sensor), который расположен в трансмиссии. Датчик посылает импульсы напряжения, которые действуют с частотой, пропорциональной скорости автомобиля. Импульсы поступают в мультиплексер, проходя через блок формирования, а далее - во временные "ворота", пребывающие в открытом состоянии только на определенное время. Затем счетчик подсчитывает количество, прошедших через "ворота" импульсов. Информация со счетчика поступает на микропроцессор, где и происходит конвертирование в скорость. На цифровой дисплей данные поступают от демультиплексера и декодера.

После считывания и обработки счетчик обнуляется, и происходит принятие следующего пакета импульсов. Электронный спидометр позволяет получать более точные данные, нежели механический.

5. Цифровой термометр

Прибор предназначен для точного измерения в широких пределах температуры различных объектов и может быть использован как в быту, так и в технике. Любой цифровой термометр состоит из:

теплового чувствительного элемента (как правили это - терморезистор, через который протекает ток);

АЦП (аналого-цифровой преобразователь, призванный полученный от терморезистора аналоговый сигнал, в данном случае определенную величину тока, преобразовать в цифровой сигнал);

дисплея;

схем устройств ввода-вывода сигналов для взаимодействия с другими устройствами;

элемент питания.

Термометр готов к работе сразу после включения питания. Диапазон измерения температуры большинства цифровых термометров, как правило, от -60 до + 100°С (для промышленных нужд используются термометры с значительно расширенным диапазоном измерений), точность измерения 0,010 С - определяется только качеством. Рабочая температура корпуса прибора 15...25°С. Термометр питается от встроенной батареи и потребляет ток не более 2 мА. Чувствительным элементом прибора служит температурный датчик, принцип действия которого основан на свойстве некоторых материалов изменять свое электрическое сопротивление при изменении температуры. В качестве датчика температуры пригоден практически любой кремниевый диод, предпочтение рекомендуется отдавать приборам с наименьшими габаритами.

Принцип действия такого термометра основан на выполнении следующей последовательности действий:

преобразование сопротивления в напряжение при помощи источника тока;

преобразование напряжения в код при помощи встроенного в контроллер аналогово-цифрового преобразователя (АЦП);

подача полученного кода в микроконтроллер (МК), где полученная информация обрабатывается и передается на устройство индикации (для цифровых термометров обычно используют семисигментные индикаторы, но также активно используются и ЖК-технологии).

Структурная схема цифрового термометра

Изменение температуры объекта, в котором размещен термодатчик, вызывает изменение сопротивления датчика, которое в блоке Е1 преобразуется в соответствующее изменение напряжения. Преобразователь U1 питается от стабилизатора тока G1. Выходной сигнал блока Е1 усиливается усилителем А1 и поступает к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) U2, на выходе которого включен цифровой блок индикации H1, высвечивающий текущую температуру контролируемого объекта.

6. Цифровые весы

Принцип действия электронного весового оборудования сводится к измерению силы (веса), воздействующей на первичный датчик, посредством преобразования этого воздействия в пропорциональный выходной электрический сигнал. Важным вопросом, влияющим на точность измерений и определяющим технический диапазон применения электронных весов, т. о., является использование того или иного первичного датчика. Самыми распространенными датчиками являются тензометрические датчики.

Тензометрические датчики. В переводе с латинского «тензо» означает «деформация». Действие такого датчика основано на преобразовании деформации упругих элементов в изменение электрического сопротивления. В качестве упругого элемента выступают металлические изделия специальной конструкции, преобразователем же служит высокочувствительная спираль из специального сплава, например, константана, которая особым способом приклеивается к упругому элементу на участке, где деформация наиболее явно выражена. Такая конструкция, по статистике, оказалась самой надежной.

Схема устройства цифровых весов.

Выводы

Оценивая роль микропроцессоров в современных средствах измерения, есть все основания утверждать, что применение их в измерительной технике позволяет резко повысить точность, надежность и быстродействие приборов, значительно расширить их возможности, решать задачи, которые раньше вообще не относились.

Рассмотрение функций микропроцессорных систем в измерительных приборах показывает, что с помощью этих систем достигаются многофункциональность приборов, упрощение управления процессом измерения, автоматизация регулирований, самокалибрование и автоматическая проверка, улучшение метрологических характеристик прибора, выполнение вычислительных процедур, статистическая обработка результатов наблюдений, определение и превращение в линейную форму функции измеренной физической величины, создание программированных, полностью автоматизированных приборов.

Радикально меняется идеология построения приборов. Микропроцессор становится основной частью собственно прибору, который приводит к изменению конструкции и схемных решений, компоновки, управление, включению обработки данных в измерительную процедуру (выполняемую без участия экспериментатора). Внедрение микропроцессоров позволяет строить многофункциональные приборы с гибкими программами работы, делает приборы более экономическими, облегчает решение задачи выходу на стандартную интерфейсную шину. Все это упрощает эксплуатацию приборов и резко повышает производительность работы их пользователей.

Микропроцессорная система, введенная в состав многофункционального средства измерения, радикально изменила его. Функциональные возможности такого устройства определяются выполняемой программой, они видоизменяются путем перехода к другой программы. Программированная логика работы позволяет наращивать функции при модернизации прибора без существенных перемен в его схеме.

Список использованной литературы

1. Гольденберг Л.М. Импульсные и цифровые устройства: Учебник для вузов /Гольденберг Л.М. - М.: Связь, 2009 .- 495с.: ил. .- Библиогр.

. Букреев И.Н. Микроэлектронные схемы цифровых устройств /Букреев И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И. .-2-е изд., перераб. и доп. - М.: Сов.радио, 2008 .-368с.: ил. .-Библиогр.