Курсовая работа: Космп’ютеризована вимірювальна система вимірювання залежності кутової швидкості від часу

Застосування засобів комп’ютерної техніки при вимірюванні кутової швидкості дозволяє поєднати два вище згаданих методи вимірювання. А саме алгоритмічно вибирати необхідний режим роботи — ЦТСЗ чи ЦТМЗ (табл. 1), для чого початково визначається критична кутова швидкість , для якої похибки обох режимів однакові. При досягненні об’єктом вимірювання кутової швидкості , здійснюється перехід на необхідний режим роботи. Таким шляхом можна досягнути нормування похибки на всьому часі проведення вимірювання, що має особливе значення при проведенні динамічних вимірювань.

Застосування комп’ютерної техніки дозволяє також реалізувати адаптивні тахометри. Значення для різних типів двигунів, тобто для різних сталих часу записуються у постійний запам’ятовуючий пристрій. При зміні об’єкту дослідження змінюється перший період інформативного сигналу, а звідси, і значення . Тобто цифровий тахометр адаптується під об’єкт дослідження [6]. Якщо < , то тахометр працює в режимі ЦВМЗ, а при > — в режимі ЦТСЗ.

У роботі [7] наведено аналіз похибок ЦТМЗ. Основним висновком цієї роботи є те, що для кожного значення вимірюємої кутової швидкості є оптимальне число штрихів первинного тахометричного перетворювача, при якому результуюча середньоквадратична похибка вимірювання мінімальна. Оптимальне число штрихів знаходиться із виразу

,(1.4)

де — оптимальне число штрихів модулятора, — вимірюєма кутова швидкість, f₀ — частота опорного генератору, — результуюча середньоквадратична похибка нанесення штрихів ДПУ, — максимальне прискорення досліджуємого механізму.

З вище сказаного слідує, що змінюючи число штрихів модулятору, тобто змінюючи розрізнювальну здатність ДПУ, можна мінімізувати похибку вимірювання для будь якого значення кутової швидкості.

У роботах [8] запропоновано алгоритм зміни розрізнювальної здатності Z_i+1 за умов, коли відоме попереднє значення Z_i , а також з використанням інформації, що несе код N_т . Використання такого алгоритму роботи цифрового тахометру зменьшує надлишковість інформації, що, в свою чергу дає змогу більш раціонально використовувати пам’ять комп’ютеру.

Для вимірювання кутової швидкості у перехідних режимах також часто використовують тахогенератори. Найбільш точне первинне перетворення кутової швидкості в напругу здійснюють тахогенератори постійного струму, але їх використання обмежено за рядом причин. Залежність вихідної напруги тахогенератора постійного струму від кутової швидкості описується виразом [9]

, (1.5)

де U - вихідна напруга тахогенератора, U_Щ - напруга на щітковому контакті, - кутова швидкість, k_Е - постійна машини, k - конструктивний коефіцієнт, k_p - коефіцієнт пропорційності між струмом якоря та потоком, R_Я - опір обмотки якорю, R_нав - опір навантаження.

Із аналізу виразу (1.4) випливає, що вихідна напруга тахогенератора нелінійно залежить від кутової швидкості і при нульовій кутовій швидкості не дорівнює нулю, тобто присутня зона нечутливості.

Окрім того вихідна напруга тахогенератора постійного струму має пульсуючу складову, яка обумовлює виникнення додаткової похибки первинного перетворення. Наявність щіткового контакту підвищує момент опору на валу тахогенератора, що робить недоцільним їх застосуваня для вимірювання кутової швидкості у перехідних режимах електродвигунів малої потужності [10].

Найбільш перспективними для вимірювання кутової швидкості у перехідних режимах електродвигунів малої потужності є фотоелектричні сенсори з безперервним вихідним сигналом. Відомий фотоелектричний сенсор кутової швидкості [11], у якому використовуються два лінійних фотоприймача, вихідна напруга яких з високою точністю прямо пропорційна світловому потоку. Схемотехнічно такі фотоприймачі достатньо легко реалізуються на основі пари фотодіод - операційний підсилювач [12]. Модулятор сенсора має прорізі у вигляді кільцевих секторів. Діафрагма, яка розташована перед кожним з лінійних фотоприймачів, має теж таку форму. При такій формі прорізей та діафрагми площа отвору, через який світловий потік падає на фоточутливий шар фотоприймача лінійно залежить від кута повороту модулятора. Оскількі світловий потік прямо пропорційний площі отвору, а вихідна напруга лінійного фотоприймача прямо пропорційна світловому потоку, матиме вихідну напругу, яка прямо пропорційно залежить від кута повороту модулятора. Для уникнення похибки первинного перетворення, що обумовлена неточністю виконання діафрагми та прорізей модулятора, проводиться послідовне підключення до виходу сенсора вихідних сигналів лінійних фотоприймачів, які рознесені між собою на певний кут. При цьому на виході сенсора формується сигнал складної форми, крутизна фронтів якого прямо пропорційна кутовій швидкості. Шляхом обчислення першої похідної вихідного сигналу сенсору отримується напруга, що прямо пропорційна миттєвому значенню кутової швидкості.

За допомогою цього сенсору можливе вимірювання кутової швидкості у перехідних режимах електродвигунів малої потужності, але він має погані частотні властивості. Вихідний сигнал сенсора є періодичним, і його частота дорівнює добутку кількості прорізів модулятора на усталену частоту обертання модулятора. Оскількі смуга пропускання лінійних фотоприймачів обмежена, то при певній частоті обертання модулятора похибка первинного перетворення, що обумовлена частотними властивостями фотоприймачів, значно підвищується. Крім того складна форма вихідного сигналу обумовлює складний алгоритм обчислення його похідної.

Виходячи з вищесказаного, можна зробити висновок про доцільність розробки тахометра на основі фотоелектричного сенсора з безперервним вихідним сигналом. Однак для покращення його технічних характеристик необхідно використати сенсор кутової швидкості на виході якого за один оберт валу формується тільки один імпульс пилоподібної форми, за рахунок чого зменьшується частота вихідного синалу та покращуються частотні властивості перетворювача. Це дасть змогу значно розширити частотний діапазон вимірюємих кутових швидкостей у порівняння з існуючими аналогами.

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)