ВВЕДЕНИЕ
Постоянно возрастающие объемы информации, обрабатываемой в ходе измерения и контроля, строгие временные ограничения на процесс вычислений, требования к безопасности измерения и контроля, надежности и экономичности системы управления заставляют разработчиков аппаратуры искать новые подходы к решению задач управления. Зачастую определяющим фактором в разработке программно-аппаратных сресдств становится их стоимость. В связи с этим разработчик вынужден находить решения, делающие систему наиболее дешевой при сохранении качества и безопасности ее работы. Одним из возможных решений перечисленных проблем является использование интеллектуальных датчиков и управляющих устройств на базе микроконтроллеров совместно с персональным компьютером. Поэтому в моей системе автоматического контроля твердой фазы в жидких дисперсных системах применяется, для обработки информации, персональный компьютер.
1 РАСШИРЕННОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Система автоматического контроля твердой фазы в жидких дисперсных системах применяется для контролирования чистоты какой-либо жидкости. Например такая система может применятся на водонапорных станциях, водоочистительных сооружениях. В систему автоматического контроля твердой фазы в жидких дисперсных системах входят: светодиод, который своим излучением света пронизывает контролируемую жидкость; бак в которой находится контролируемая жидкость; датчик, который измеряет количество света прошедшего через жидкость; электродвигатель; персональный компьютер для вычислений измерений и контроля системы.
Контролируемая жидкость, находящаяся в баке облучается светом от источника, то есть светодиода. Датчик помещен в непрозрачный для света цилиндр с окнами. Цилиндр может вращаться и устанавливаться в требуемое положение электродвигателем. Управление электродвигателем осуществляется при помощи микропроцессора, но так как управляющие сигналы с микропроцессора слабые, то необходимо поставить перед двигателем транзисторный усилитель. Измерения, зафиксированные датчиком, обрабатываются в микропроцессоре. Функциональная схема этой системы представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Функциональная схема системы автоматического контроля
твердой фазы в жидких дисперсных системах
Основным параметром системы автоматического контроля твердой фазы в жидких дисперсных системах является время срабатывания, которое должно быть не больше одной секунды. Объем бака не должен превышать больше одного кубического метра, причем высота бака должна быть небольшая. Диапазон температур, в котором может работать эта система, колеблется от 150С до 250С, то есть комнатная температура, отсюда следует, что система должна находится в закрытом обогреваемом помещении.
2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭЛЕМЕНТОЙ БАЗЫ
ЛОКАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Шаговый электродвигатель широко применяется в автоматизированных системах. Это, в свою очередь, обусловлено тем, что он по сравнению с другим электроприводом наиболее удачно сочетается с электронно-вычислительными машинами более компактны, надежны и точны. Шаговые двигатели отличаются также устойчивой работой при воздействии неблагоприятных климатических факторов, механических перегрузок и других возмущающих воздействий. Поэтому берем шаговый двигатель ШДА – 7. Его характеристики:
Момент нагрузки, 0,6
Момент инерции, 1500
Частота вращения вала двигателя, шаг/с 220
Мощность двигателя, Вт 140
Масса, кг 1,5
Номинальное напряжение, В 28
Максимальное статическое усилие, Н 70
Габаритные размеры, мм 80х90
Коэффициент вязкого трения 0,2
Постоянная противоЭДС 0,1
Расчет передаточной функции двигателя:
I=3(A)
с
Найдем моментную постоянную двигателя
(1)
Подставляя найденные значения в формулу (1) получим передаточную функцию электродвигателя.
(2)
В качестве источника излучения света в этой системе нужен, какой-нибудь светоизлучающий прибор. Этим прибором может быть мощный светодиод, который должен пробить своим светом через бак со взвесью и попасть в датчик. Таким условиям соответствует светодиод КИПД04А – 1К с параметрами:
Цвет свечения – красный
Сила света, мккд 15000
Прямое падение напряжения на светодиоде, В 2
Номинальный прямой ток, мА 10
Максимум спектрального распределения, мкм 0,7
Максимально-допустимый прямой ток, мА 30
Максимально-допустимое обратное напряжение, В 2
Максимально-допустимая температура корпуса, 0С 70
Передаточная функция светодиода выглядит следующим образом:
Так как источник излучения света в этой системе является светодиод, то необходимо, чтобы датчик воспринимал яркость свечения и мог передать полученные измерения в ЭВМ. В качестве такого датчика можно взять газовый анализатор видимого света, потому что он используется в промышленности, хорошая чувствительность, небольшое время запаздывания, а главное выходной сигнал дискретный. Передаточная функция газового анализатора имеет вид:
Системе нужен бак объемом не больше одного кубического метра, высота должна быть небольшая, а также он должен быть прочным и пропускать видимый свет. Передаточная функция бака имеет вид:
(3)
где Кр– передаточный коэффициент
Тр– постоянная времени
Тр=2h2
где - удельный вес жидкости
h– высота резервуара
Тогда формула (3) примет вид:
Система должна иметь микроконтроллер, осуществляющий сбор, обработку данных и управление шаговым двигателем. Микроконтроллер должен содержать следующие компоненты: центральный восьми разрядный процессор; постоянное запоминающее устройство команд емкостью 4096 байт с электрическим стиранием и записью; оперативное запоминающее устройство данных емкостью 128 байт.
Между микроконтроллером и шаговым двигателем нужен транзисторный усилитель. В этой системе можно взять транзисторный усилитель типа КТ902А с коэффициентом усиления семь. Передаточная функция транзисторного усилителя имеет вид:
3 Расчет датчика обратной связи локальной системы
УПРАВЛЕНИЯ
Конструкция измеряющего яркость свечения светодиода представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 - Датчик измеряющий яркость свечения
Он представляет собой цилиндр 3 из материала не пронизывающий видимый свет и не разрушающийся при вибрации, в котором выполнены продольные пазы под газовые анализаторы 1, вставленные в пазы заподлицо с цилиндром. На цилиндр надета поворотная труба 2 из легкого материала. Газовые анализаторы расположены в цилиндре осесимметрично с центральным углом =360/n (n – число счетчиков), и так же симметрично с в трубе 2 сделаны продольные щели 4. Если установлена в показанном на рисунке 3 положении, то на газовые анализаторы свет попадает лишь пройдя щели 4, то есть сигнал N1 будет пропорционален 0,15Iн (Iн – интенсивность свечения). При повороте трубы на угол щели разместятся против выступов цилиндра и в газовые анализаторы беспрепятственно попадут весь световой поток. Виброустойчивость у датчика достаточная, так как газовые анализаторы вставляются в пазы, которые по конструкции специально сделаны для определенных газовых анализаторов.
Так как датчик зависит от светодиода, то необходимо рассчитать светодиод на протекающий ток в нем.
(4)
где q – заряд, Кл
Ud – напряжение на светодиоде, В
К – коэффициент отражения
Т – температура светодиода, 0С
I0=Ir-Ip (5)
где Ir – общий ток, А
Iр – фототок, А
(6)
где U – напряжение подаваемое на светодиод, В
R – сопротивление светодиода, Ом
(7)
где n – число падающих лучей
х – расстояние от светодиода до датчика, м
- угол наклона световых лучей, град.
с – скорость света, м/с
h – постоянная планка, Дж
- длина волны, м
Найдем поток света
Ф=nh (8)
Подставляя формулы (5), (6), (7) и (8) в (4) получим:
Датчик будем рассчитывать на чувствительность.
(9)
где S – чувствительность датчика, А/Вб
Iр – фототок, А
Ф – поток света, Вб
(А/Вб)
Будем рассчитывать электродвигатель на охлаждение, так как он находится под влиянием жидкости, которая охлаждает его своими парами.
В любой момент времени в двигателе имеет место баланс тепловой энергии.
(10)
где cmdQ – часть тепловой энергии, которая накапливается в машине, Дж
КТОSохлdQ – часть тепловой энергии, рассеивающейся в окружающее
пространство, Дж
с – удельная теплоемкость, кг/0С
КТО – коэффициент теплоотдачи с поверхности, м2/с
Sохл – поверхность охлаждения машины, м2
Q – превышение температуры машины над окружающей средой, 0С
При некотором повышении температуры Q наступает установившийся тепловой процесс. В этом случае cmdQ=0
(11)
Из формулы (11) можно найти установившееся превышение температуры
(12)
С учетом формулы (12) уравнение теплового баланса (10) будет:
(13)
Решая дифференциальное уравнение при условии, что в начальный момент (при t=0) электродвигатель уже имел некоторое превышение температуры Q0 над окружающей средой, получим:
(14)
где Т – постоянная времени нагревания, с
(15)
В нашем случае Q0=0
(16)
Проведенные расчеты показали, что все приборы, по которым производились расчеты, удовлетворяют требованиям системы.