Проектирование измерительной системы измерения силы

Кафедра автоматизации технологических процессов в производстве






КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине «Технические измерения и приборы»

Проектирование измерительной системы измерения силы.





Выполнила: ст. группы Т-4139

Рогова М.И.

Руководитель: Дмитриева О.В.

Курган 2012 г.

Содержание:

Введение. Краткий обзор методов измерения…….………………………3

1. Описание объекта измерения…………………………………………….6

2. Разработка структурной схемы ИИС…...……………………………...10

3. Выбор измерительных преобразователей.....…………………..............13

4. Выбор промежуточных преобразователей …………………................19

5. Расчет удлинения арматурной стали……….………………………......30

Вывод..…………………………………………………………….....33
Используемая литература………………………….………….........34

Введение. Краткий обзор методов измерения

Бетон, как и другие каменные материалы, слабо сопротивляется изгибу и растяжению, однако в сочетании с арматурой его механические свойства значительно улучшаются. Улучшению механических свойств бетона способствует хорошее сцепление его с арматурой, обеспечивающее рациональное распределение нагрузки между этими материалами. Важным для совместной работы является и то, что температурное расширение стали и бетона сводит к минимуму внутреннее напряжения в зоне контакта при изменении температуры, и кроме того, бетон надежно защищает арматуру от коррозии. Поэтому конструкцию армируют.

В данной курсовой работе «Проектирование измерительной системы измерения силы» выбрана сила натяжения арматуры. Методы измерения силы натяжения арматуры:

гравитационный метод измерения;

Гравитационный метод основан на установлении зависимости между силой натяжения арматуры и массой грузов, осуществляющих ее натяжение. Гравитационный метод применяется в тех случаях, когда натяжение осуществляется грузами непосредственно через систему рычагов. Для измерения силы натяжения арматуры измеряют массу грузов, по которой определяют силу натяжения арматуры с учетом системы передачи силы от грузов к натягиваемой арматуре, потерь от трения и других потерь, если таковые имеются. Учет потерь в системе передачи силы натяжения от грузов арматуре осуществляется динамометром при градуировке системы. Масса грузов должна измеряться с погрешностью до 2,5%.

метод измерения по показаниям динамометра;

Метод измерения силы натяжения арматуры по показаниям динамометра основан на связи между силой натяжения и деформациями динамометра. Динамометр включают в силовую цепь арматуры между концевыми упорами или за их пределами таким образом, чтобы сила натяжения арматуры воспринималась динамометром.

метод измерения по показаниям манометра;

Метод измерения силы натяжения по показаниям манометра основан на зависимости между давлением в цилиндре домкрата, измеряемом манометром, и силой натяжения арматуры. Измерение силы натяжения арматуры по показаниям манометра применяют при натяжении ее гидравлическими домкратами. Определение силы натяжения арматуры по показаниям манометра осуществляют непосредственно в процессе натяжения и завершают при передаче усилия с домкрата на упоры формы или стенда.

метод измерения по величине удлинения арматуры;

Метод измерения силы натяжения по величине удлинения напрягаемой арматуры основан на зависимости удлинения арматуры от величины напряжений, которая с учетом площади поперечного сечения арматуры определяет силу натяжения. Метод измерения силы натяжения арматуры по величине ее удлинения, вследствие относительно невысокой его точности, применяется не самостоятельно, а в сочетании с другими методами. Относительно невысокая точность этого метода обуславливается изменчивостью упруго пластических свойств арматурной стали, а также деформативностью форм и упоров.

измерение методом поперечной оттяжки арматуры (будет использован в данной курсовой работе);
частотный метод измерения;

Частотный метод основан на зависимости между напряжением в арматуре и частотой ее собственных поперечных колебаний, которые устанавливаются в натянутой арматуре через определенное время после выведения ее из состояния равновесия ударом или каким-либо другим импульсом. Для измерения силы натяжения арматуры частотным методом применяют прибор ИПН-7 (без собственной базы). Прибором ИПН-7 измеряют число колебаний натянутой арматуры за определенное время, по которым определяют силу натяжения с учетом градуировочной характеристики для данного класса, диаметра и длины арматуры. Контролируемая арматура вдоль всей ее длины при колебании не должна соприкасаться со смежными арматурными элементами, закладными деталями и формой.

Описание объекта измерения.

Арматурой в строительстве называются стальные стержни различного сечения и формы, стальные канаты и пряди, воспринимающие растягивающие и скалывающие напряжения, возникающие в железобетонных элементах от внешних нагрузок и собственного веса конструкций. Арматура может быть постоянного сечения (гладкие стержни) и периодического профиля.

Виды арматуры

Арматура, применяющаяся в железобетонных конструкциях и сооружениях, делится на рабочую, распределительную, хомуты и монтажную.

Рабочая арматура воспринимает возникающие в железобетоне растягивающие и скалывающие усилия от внешних нагрузок и собственного веса конструкций.

Распределительная арматура удерживает рабочие стержни арматуры в определенном положении и распределяет нагрузку между ними. В тех случаях, когда рабочие стержни располагаются не только в растянутых, но и в сжатых частях конструкций, например, в балках, ригелях, арматура называется двойной.

Хомуты связывают арматуру в единый каркас и предохраняют бетон от появления косых трещин около опор.

Монтажная арматура никаких усилий не воспринимает, служит для сборки арматурного каркаса и обеспечивает точное положение рабочей арматуры и хомутов при бетонировании.

Для лучшего предохранения арматуры от скольжения в бетоне арматурные стержни, подверженные растяжению, загибаются в виде крюков на концах. Применение арматуры периодического профиля благодаря повышенному сцеплению с бетоном позволяет в большинстве случаев отказаться от крюков, что приводит к экономии стали.

Арматура бывает поперечной и продольной.

Поперечная - это арматура, препятствующая образованию наклонных трещин от возникающих косых скалывающих напряжений вблизи опор, а также арматура, связывающая бетон сжатой зоны с арматурой в растянутой зоне.

Продольная - арматура воспринимает растягивающие напряжения и препятствует образованию вертикальных трещин в растянутой зоне железобетонных конструкций.

В конструкциях, которые воспринимают сжимающие усилия, продольная арматура берет на себя часть нагрузки, работая совместно с бетоном.

Для армирования предварительно напряженных конструкций кроме штучной высокопрочной арматуры применяют пучки и пряди, изготавливаемые из высокопрочной проволоки диаметром 3 мм, и канаты из нескольких прядей.
В зависимости от механических характеристик стержневая арматура по ГОСТ 5781-82 подразделяется на классы: А-I, A-II, A-III, A-IV, A-V, A-VI.
Стержни арматуры диаметром менее 10 мм поставляются в мотках, арматуру диаметром 10 мм и более — в прутках длиной от 6 до 12 м или мерной длины. Допускается поставка стержней арматуры класса А-I диаметром до 12 мм в мотках. Арматура A-IV поставляется только в прутках.

В горячекатаной арматурной стали (по ГОСТ 5781) требуемые механические свойства обеспечиваются химическим составом стали. С этой целью для производства арматурной стали используются не только углеродистые стали, но и стали, легированные марганцем и кремнием, а также более прочные стали, легированные хромом и титаном.

Помимо стержневой арматуры, в строительстве для армирования предварительно напряженных железобетонных конструкций широко используется арматурная проволока, которая производится как из низкоуглеродистой стали (ГОСТ 380), так и из высокоуглеродистой (ГОСТ 14959).

Применение арматуры

Арматура применяется для изготовления всех видов железобетонных конструкций, что необходимо для усиления прочностных характеристик бетона. В основном, используется стальная гибкая арматура — стержни, сварные сетки и каркасы, но иногда необходима и жесткая арматура — прокатные двутавры, швеллеры и уголки. По физико-механическим свойствам и другим показателям качества строительная арматура подразделяется на классы прочности — горячекатаная, термомеханически упрочненная или термически упрочненная. От характеристик применяемой арматуры во многом зависит эффективность использования железобетонных конструкций в строительстве.

Числовые характеристики при проведении испытания и их влияние на результаты измерений:

Диапазон измерения силы тяги: от 0 до 15 тс

Относительная погрешность: ? не более 4%

Температура окружающей среды: Т=-20-30 ⁰С

Влажность воздуха: 50-90%

Атмосферное давление: 1 атм. (10⁶Па)

Место установки электромеханических приборов должно находиться на расстоянии не менее 5 м от источников электрических помех.

Отношение прогиба арматуры к ее длине не должно превышать:

1:150-для проволочной, стержневой и канатной арматуры диаметром до 12 мм;

1:300-для стержневой и канатной арматуры диаметром более 12 мм.

При измерении силы натяжения арматуры прибор с собственной базой устанавливают на арматуре в любом месте по ее длине. При этом стыки арматуры не должны находиться в пределах базы прибора.

При измерении силы натяжения арматуры приборами без собственной базы (с оттяжкой на базе формы) приборы устанавливают в середине пролета между упорами (чертеж). Смещение места установки приборов от середины пролета не должно превышать 2% длины арматуры.

Такие факты как: температура воздуха, давление атмосферное будем считать их константами. В противном случае их изменение в указанных диапазонах их влияние на изменение результата стремиться к нулю. Поэтому эти акты не будем учитывать при расчете погрешности.

Разработка структурной схемы ИИС.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На Рис.1 изображено устройство для измерения силы натяжения арматуры методом оттяжки, на Рис.2 изображена схема включения тензометрических датчиков.

Схема измерительной информационной системы:

Измерение силы натяжения арматуры методом поперечной оттяжки.

Метод основан на установлении зависимости между силой, оттягивающей арматуру на заданную величину в поперечном направлении, и силой натяжения арматуры. Контроль натяжения по измерению сопротивления проволочных тензодатчиков. Электротензометрическое измерение натяжения арматуры основано на применении проволочных датчиков омического сопротивления (из константановой проволоки), наклеенных на упругий элемент. При воздействии усилия растяжения происходит изменение активного сопротивления датчиков, и равновесие в электрической цепи нарушается.

Поперечная оттяжка арматуры может производиться на полной длине арматуры, натянутой между упорами формы (оттяжка на базе формы), и на базе упоров самого прибора (приборы с собственной базой).

При оттяжке арматуры на базе формы прибор упирается в форму, которая является звеном цепи измерения. При оттяжке на базе прибора, прибор контактируется с арматурой в трех точках, но не находится в контакте с формой.

При измерении силы натяжения арматуры методом поперечной оттяжки в арматуре не должно быть остаточных деформаций.

При измерении силы натяжения арматуры методом оттяжки применяют механические приборы типа ПРДУ или электромеханические приборы типа ПИН.

В данной работе будем применять прибор типа ПИН. Прибор состоит из рамы с упорами, эксцентрика с рычажным устройством, регулировочной гайки, упругого элемента с тензорезисторами, крючка и элементов электрической схемы, размещенных в отдельном отсеке, которые содержат усилитель и счетное устройство (рис. 1).

Прибор измеряет силу, необходимую для поперечного смещения натянутой арматуры на заданную величину.

Заданное поперечное смещение арматуры относительно упоров, прикрепленных к раме прибора, создают путем перемещения ручки эксцентрика в левое положение. При этом рычаг перемещает винт регулировочной гайки на величину, зависящую от эксцентриситета эксцентрика. Необходимая для осуществления перемещения сила зависит от силы натяжения арматуры и измеряется по деформациям упругого элемента.

Прибор градуируют для каждого класса и диаметра арматуры. Показания его не зависят от длины натянутой арматуры.

Тип прибора	Сила натяжения, тс		Диаметр арматуры, мм		Длина арматуры, м		Длина собственной базы прибора, мм	Масса прибора, кг
Тип прибора	мин.	макс.	мин.	макс.	Мин.	макс.	Длина собственной базы прибора, мм
ПИН	0,1	20	3	18	0,8	Без ограничений	600	4,5

Рис.1 Схема прибора ПИН

1 - упоры; 2 - рама; 3 - эксцентрик; 4 - регулировочная гайка; 5 - упругий элемент с проволочными тензорезисторами (размещается под кожухом); 6 - крючок; 7 - коробка с элементами электрической схемы.

Рис. 2 Схема включения тензометрических датчиков

8 - тензометрический усилитель; 9, 11 - активные тензорезисторы; 10, 12 – пассивные тензорезисторы; 13 – компьютер; 14 – аналого – цифровой преобразователь.

Измерительные преобразователи.

Датчик, который используется для силы натяжения арматуры – тензорезистор.

Рис. 3 Общий вид тензорезистора.

В основе принципа действия тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении электрического сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации. Тензорезистор плотно крепится к объекту измерения таким образом, что чувствительный элемент (металлическая резистивная фольга) мог удлиняться или сокращаться в соответствии с деформацией, вызванной измерительным объектом. При механическом удлинении или сжатии, электрическое сопротивление многих металлов изменяется. Тензорезистор использует данный принцип для измерения деформации посредством изменения сопротивления. Обычно, чувствительный элемент тензорезистора выполнен из фольги медно-никелевого сплава. Коэффициент изменения сопротивления сплава фольги пропорционален деформации с определенной постоянной. Выразим данный принцип следующим образом: ΔR/R = K* ε

где, R: исходное сопротивление тензорезистора, Ω (Ом) , ΔR: изменение сопротивления, вызванное удлинением или сокращением, Ω (Ом) K: постоянная пропорциональности (коэффициент тензочувствительности) ε: деформация

Коэффициент тензочувствительности, K, отличается в зависимости от металлических материалов. Для медно-никелевого сплава коэффициент тензочувствительности составляет примерно 2. Следовательно, тензорезистор, использующий данный сплав в качестве чувствительного элемента, позволяет преобразовывать механическую деформацию в соответствующее изменение электрического сопротивления. Однако т.к. деформация – это невидимое чрезвычайно малое явление, изменение сопротивления, вызванное деформацией чрезвычайно мало.

На самом деле, очень сложно выполнить точное измерение такого малого изменения сопротивления, так как обычный омметр для этих целей не подойдет. Соответственно, мельчайшие изменения сопротивления измеряются с помощью специального тензоусилителя, в котором используется электрическая цепь, которая называется мост Уитстона.

Рис. 4 Мост Уинстона.

Конструктивно современные тензорезисторы представляют собой чувствительный элемент в виде петлеобразной решетки, который крепится с подложкой с помощью клея. Чувствительные элементы обычно изготавливаются из тонкой проволоки, фольги, а также могут быть образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки. В качестве подложки обычно используют ткань, бумагу, пленку и др. Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные концы или контактные площадки. На исследуемый объект тензорезисторы крепятся с помощью связующего (клея) со стороны подложки.

Расчёт тензорезисторов.

До последнего времени методы расчёта тензорезисторов не были известны, и разработка преобразователей производилась чисто эмпирическим путём. Однако в связи с развитием квалиметрии измерительных преобразователей оказалось, что основные соотношения режима работы тензорезисторов достаточно хорошо описывается математически, и при проектировании тензорезисторов и сравнении новых типов с известными полезно проводить их расчёт.

Расчёт тензорезисторов сводится к определению при выбранных их размерах допускаемой тензорезистором мощности рассеяния (а следовательно, и допустимого значения тока при данном сопротивлении) или наоборот — к определению размеров тензорезистора, необходимых для обеспечения заданной мощности.

Мощность Р, рассеиваемая в тензорезисторе, ограничена его нагревом, вызывающим появления повышенных значений погрешности.

При тепловом контакте тензорезистора с деталью через слой клея и подложку отводиться в 200—300 раз больший тепловой поток, чем при теплоотдаче тензорезистора в окружающий воздух. Это объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи в воздух равен ξ= 10 Вт/(м²∙К). Поэтому с высокой точностью можно считать, что практически весь тепловой поток от тензорезистора отводится через слой клея в деталь, на которую он наклеен. Отсюда площадью S₀поверхности теплоотдачи для плёночных и фольговых тензорезисторов следует считать поверхность резистора, обращённую к детали, а для проволочных — с достаточно точным приближением половину цилиндрической поверхности их проволоки.

Необходимые для расчёта значения удельной тепловой нагрузки Р_уд=Р/S₀большинства используемых сейчас проволочных, Фольговых и полупроводниковых тензорезисторов (с мощностью от 25 до 630 мВт и полной площадью, занимаемой решёткой, от 0,9 до 250 мм²) колеблются в очень узких пределах Р_уд=26 ÷ 28 кВт/м²(или мВт/мм²). Лишь в редких случаях, используя очень тонкую подложку, удаётся достичь Р_уд=38 ÷ 39 мВт/мм².

Допустимое значение тока I_допчерез тензорезистор определяется из соотношения Р= I²R= Р_удS₀. Так, например, для проволочных тензорезисторов с базой длиной, из n проводов в решётке с диаметром d, изготовленных из материала с удельным сопротивлением ρ.

Для константановой проволоки ρ = 0,46∙10^-6Ом∙м, тогда при Р_УД=27 кВт/м²допустимое значение тока

где I_ДОПв амперах и d в метрах.

Погрешности измерения тензорезисторами возникают за счёт следующих основных факторов:

- влияния температуры преобразователя на его сопротивление и линейное расширение;

- ползучести характеристики, т.е. её изменения, вызываемого остаточными деформациями в преобразователи при длительном действии значительных по величине нагрузок, близких к допустимым;

- невоспроизводимости характеристики преобразования при нагрузке и разгрузке;

- изменения крутизны характеристики преобразования от времени из-за старения материалов, особенно из-за изменения свойств клеящих компонентов;

- снижения чувствительности при увеличении частоты деформаций, когда длина распространяющейся в детали звуковой волны деформации становятся соизмеримой с базой преобразователя.

Наиболее существенное влияние на величину погрешности имеет первый фактор. Изменение сопротивления преобразователя от изменения температуры соизмеримо с изменением сопротивления от действия деформации. Температура тензорезистора зависит от температуры окружающей среды и величины тока, протекающего через резистор. Изменения температуры должно учитываться приобработки результатов путём введения коррекций или, что более желательно, автоматической компенсацией температурной погрешности. Для снижения температурной погрешности используют несколько путей:

- выбирают материал для тензорезистора с малым температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту расширения детали;

- применяют компенсационные преобразователи, располагаемые в непосредственной близости от однотипного рабочего, но не подвергаемы действию деформации;

- используют самокомпенсирующие тензорезисторы, состоящие из двух частей. Одна часть обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, вторая — отрицательным. Правильным подбором величин и температурных коэффициентов сопротивлений частей датчика добиваются высокой степени компенсации температурной погрешности. Особенно широкое применение такой способ нашёл при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов.

Для определения силы натяжения арматуры будем использовать тензодатчик LTP-S-200KNS c номинальным диапазоном 20,39 тс.

Характеристики:
Нелинейность: ±1 ... 2%НВС
Гистерезис: ±1 ... 2%НВС
Ном. выходной сигнал: 0.5 to 1mВ/В (1000 ... 2000 x10–6 дефор.)

Условия окружающей среды:
Температурный диапазон: –20 ... +80°C
Компенсированный температурный диапазон: –10 ... +70°C
Температурный дрейф ноля: ±0.05%НВС/°C
Температурный дрейф на выходе: ±0.05%/ °C

Электрические характеристики:
Безопасное питание: <15В ~ или =
Рекомендованное питание: 1 ... 10В ~ или =
Входное сопротивление: 700 Ω ±3%
Выходное сопротивление: 700 Ω ±3%
Кабель: 4-х проводный, хлорпреновый, экранированный, длина кабеля по спецификациям заказчика.

Механические характеристики:
Безопасная перегрузка: 150%

Выбор промежуточных преобразователей.

Тензометрические усилители и аналого-цифровые преобразователи.

Тензометрические усилители.

На практике, часто возникает потребность в преобразовании измерительных сигналов датчиков в стандартный сигнал самым простым методом, в непосредственной близости от датчика. Этот линейный тензометрический измерительный усилитель обеспечивает безаварийную, с низкими потерями, передачу измеряемых значений на большие расстояния на системы контроля или приборные панели.
Модель линейного тензометрического измерительного усилителя 9235 идеально подходит для этой цели. Усилитель устанавливается на соединительном кабеле посредством штырьковых D-sub разъемов. Вследствие его компактной, прочной конструкции и малого веса, линейный тензометрический измерительный усилитель применяется во многих приложениях. Даже подвижное размещение, подверженное ускорениям, например на манипуляторах, не является проблематичным. Эти усилители предназначены, главным образом, для использования вне контрольных кабин, практически, в любом месте и c адаптацией к определенному датчику. Алюминиевый корпус линейного тензометрического измерительного усилителя обладает высокой прочностью и предоставляет очень хорошую защиту даже в тяжелых производственных условиях.
Пользователям, которые предпочитают интеграцию усилителя в собственные схемные платы или в собственные корпуса, доступна поставка его как компонента открытого типа, с терминалами вместо штырьковых разъемов.

Таким образом мы выбираем для нашего измерения усилитель типа:

WGA-670A

с техническими характеристиками:

Нелинейность: ± 0,03%

Выходное напряжение: ± 10

Высокая скорость дискретизации: 2000. / секунду

Возможность подключения до четырех датчиков параллельно с сопротивлением моста 350 Ом

Оснащен функцией непрерывного удержания пиковых значений, что позволяет отображать только пиковые значения.

Разрядность: от -19999 до +19999.

Количество измерительных каналов: 1

применяется преобразователь: Тензодатчик тип преобразователя

применяется резистивный мост: 87,5 Ω до 10 кОм (четыре 350-Ω датчики могут быть подключены параллельно.)

Аналого-цифровые преобразователи.

Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.

Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.

Основные характеристики АЦП.

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samplespersecond, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Типы АЦП.

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность.

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы TexasInstruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.

Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.

Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.

АЦП прямого преобразования

АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS.

Рис. 5. Структурная схема АЦП прямого преобразования

Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП.

Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priorityencoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром.

Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.

Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «LiberAbaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь:http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, SuccessiveApproximationRegister) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:

1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).

2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.

Рис. 6. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).

2. Цифро-аналоговый преобразователь (DigitaltoAnalogConverter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.

3. Регистр последовательного приближения (SuccessiveApproximationRegister, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

Дельта-сигма АЦП

И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

Рис.7. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».

Рис. 8. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].

На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).

Рис. 9. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут:

http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):

Рис. 10. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

Рис. 11. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра

Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noiseshaping) в сигма-дельта АЦП.

Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность, но не требуется высокой скорости.

А так же мы выбираем аналого-цифровой преобразователь

с техническими характеристиками:

Количество входов: 16 синфазных / 8 дифференциальных

Суммарная частота преобразования по всем включенным каналам: до 500кГц

Количество разрядов АЦП: 16

Максимальное входное напряжение/ток: ± 7 В

Входное сопротивление: 2 кОм

Динамический диапазон: 84 дБ

Количество выходов: 2 синфазных

Максимальное выходное напряжение: ± 2,5 В

Количество разрядов ЦАП: 14

Количество бит на вход/выход: 14 бит

Габаритные размеры: 90 х 110 х 35 мм

Вес: 0,2 кг

Тип разъема аналогового входа/выхода (ответная часть входит в комплект)

DSUB DB-25

Тип разъема цифрового входа/выхода (ответная часть входит в комплект)

DSUB DB-15

Расчет удлинения арматурной стали.
Определение и оценка силы натяжения арматуры.

Силу натяжения арматуры определяют как среднее арифметическое результатов измерений. При этом количество измерений должно быть не менее 2.

Оценку силы натяжения арматуры производят путем сопоставления значений сил натяжения арматуры, полученных при измерении, с силой натяжения, заданной в стандарте или рабочих чертежах на железобетонные конструкции; при этом отклонение результатов измерений не должно превышать допускаемых отклонений.

Оценка результатов определений силы натяжения арматуры по ее удлинению производится путем сопоставления фактического удлинения с удлинением, определенным расчетом.

Фактическое удлинение не должно отличаться от расчетных значений больше чем на 20%.

Расчет удлинения арматурной стали ∆l при отношении величины ее предварительного напряжения σ₀к средней величине условного предела текучести ͞σ_0,2более 0,7 производится по формуле

_{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image012.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image012.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image012.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image012.gif"
\* MERGEFORMATINET} _{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image014.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image014.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image014.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image014.gif"
\* MERGEFORMATINET}                                              (1)

При отношении 0₀и σ_0,2менее или равном 0,7 расчет удлинения производится по формуле

_{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image016.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image016.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image016.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image016.gif"
\* MERGEFORMATINET} ,                                                                (2)

где σ₀- предварительное напряжение арматурной стали, кгс/см²;

σ_0,2- средняя величина условного предела текучести арматурной стали, определяемая из опыта или принимаемая равной 1,05, кгс/см²;

σ_0,2- браковочная величина условного предела текучести, определяемая по табл. 5 ГОСТ 5781-75, ГОСТ 10884-71, табл. 2 ГОСТ 13640-68, ГОСТ 846063, кгс/см²;

E_а- модуль упругости арматурной стали, определяемый по табл. СНиПII-21-75, кгс/см²;

l _a- начальная длина арматуры, см.

Пример 1.

Расчетная длина арматурной стали класса А-IV при σ₀=5500 кгс/см²и l_a=1250 см, натяжение - механическим способом.

1. По табл. ГОСТ 5781-75 определяют браковочную величину условного предела текучести σ_0,2=6000 кгс/см²; СНиП II-21-75 определяют модуль упругости арматурной стали E_а=2 × 10⁶кгс/см².

2. Определяют величину

_{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image018.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image018.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image018.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image018.gif"
\* MERGEFORMATINET} =6300 кгс/см².

3. Вычисляют отношение _{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image020.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image020.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image020.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image020.gif"
\* MERGEFORMATINET} , поэтому удлинение арматурной стали определяют по формуле (1)

_{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image022.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image022.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image022.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image022.gif"
\* MERGEFORMATINET} .

Пример 2.

Расчет удлинений высокопрочной арматурной проволоки класса Вр-П при σ₀=9000 кгс/см²и l_a=4200 см, натяжение - механическим способом.

1. По результатам контрольных испытаний определяют среднюю величину условного предела текучестиσ_0,2=13400 кгс/см²; СНиП II-21-75 определяют модуль упругости арматурной стали Вр-П. E_a=2 × 10⁶кгс/см².

2. Вычисляют отношение _{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image024.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image024.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image024.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image024.gif"
\* MERGEFORMATINET} , поэтому удлинение арматурной стали определяют по формуле (2)

_{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image026.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image026.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image026.gif"
\* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image026.gif"
\* MERGEFORMATINET} см

Вывод

В данной работе была изучена проблема измерения сила натяжения арматуры. Описаны существующие технические средства для решения этой задачи. Рассмотрены методы измерения силы натяжения с помощью тензорезисторов, изучены их основные характеристики. Так же изучен прибор ПИН для измерения силы натяжения арматуры: его устройство, технические характеристики и метод его применения.

Измерение и знание силы натяжения арматуры важно в строительстве, производстве, от которой зависит прочность и надежность конструкции.

Список используемых источников:

ГОСТ 22362-77 Методы измерения силы натяжения арматуры
http://ru.wikipedia.org
kyowa.ru
http://www.p-d-o.ru/promishlennie-datchiki/datchiki-proizvodstvo-kyowa-yaponiya/datchiki-sili/datchiki-sili-paltsevogo-tipa-ltp-s-s.html
Рубичев, Н. А. «Измерительные информационные системы». Издательство « Дрофа» .2010

Проектирование измерительной системы измерения силы