Цифровой измеритель скорости воздушного потока

метки: Измерение, Воздух, Рисунок, Скорость, Схема, Напряжение, Электронный, Конденсатор

Цифровой измеритель скорости воздушного потока или

Существует несколько видов устройств, наиболее распространенные из которых — чашечные и цифровые. Они имеют абсолютно разное строение, но один принцип работы.

Такие приборы, как анемометры, актуальны для измерения скорости ветра. Первый анемометр имел чашечное строение. Четыре чаши были насажены на спицы, и за счет этого обеспечивалось вращательное движение. Со временем основной принцип работы не изменился, однако современный анемометр чашечный значительно усовершенствовался. Он действует за счет специальной вертушки, закрепленной на оси. Она соединена с механизмом, отвечающим за измерение скорости. Когда возникает воздушный поток, ветер приводит в движение чашечки, которые из-за этого начинают вращательные движения вокруг собственной оси. В зависимости от строения анемометра он или измеряет число оборотов, которое совершают чашечки за определенное количество времени, либо производит замер сразу же при помощи специального электрического тахометра. Второй вид прибора помогает также отслеживать перемены в скорости ветра в реальном времени.

Цифровые технологии коснулись и анемометров. Был создан анемометр цифровой, по своему строению полностью отличающийся от аналогичной чашечной модели. Сфера применения цифровых анемометров намного шире. Они могут использоваться в шахтах и других местах со специфическими условиями. Цифровой анемометр предоставляет результаты замеров скорости воздушного потока с минимальной погрешностью благодаря встроенному микропроцессору. Также цифровой анемометр может отражать результаты измерений в различных единицах измерения.

1 . Сравнительный анализ существующих схемных решений

анемометр метеорологический скорость ветер

Для измерения скорости воздушного потока, как правило, используются три типа приборов, отличающихся диапазонами измерений и рабочей температурой:

Трубки Пито

Крыльчатые датчики потока/Анемометры с крыльчаткой

Термоанемометры с измерительной головкой

Трубки Пито

Скорость воздушного потока определяется динамическим и статическим давлением. Трубки Пито имеют прочную конструкцию, надежны, изготовлены из нержавеющей стали или никелированной латуни. Они подсоединяются к приборам с помощью силиконовой трубки и модуля дифференциального давления.

Преимущества: трубки Пито просты в обращении и особенно подходят для измерения высоких скоростей потока, в условиях экстремальных нагрузок и высоких температур (до 600°C в зависимости от модели).

Методы и приборы для определения расхода и скорости движения воздушного потока

... В этом реферате в дальнейшем речь пойдет о приборах и методах измерения скорости движения и расходу воздуха в системах вентиляции и кондиционирования воздуха. Page 4 Методы для измерения расхода и скорости движения воздушного потока в воздуховодах. ...

Недостатки: результаты измерений трубкой Пито зависят от температуры, от точности ориентации прибора в потоке, имеют ограниченную точность (не работают при низких скоростях потока), чувствительны к турбулентным потокам.

Крыльчатые датчики потока/Анемометры с крыльчаткой

Скорость воздушного потока определяется по измерениям частоты вращения крыльчатки. Данные приборы являются чувствительными датчиками с точно подогнанными алмазными подшипниками, что обеспечивает высокую точность измерений.

Преимущества: высокая точность измерений, нечувствительны к турбулентным потокам

Недостатки: чувствительны к механическим повреждениям, строго направленные.

Термоанемометры — это высокочувствительные датчики. для определения темепературы и скорости газового потока. Принцип измерения: нагретый чувствительный элемент охлаждается потоком воздуха. При этом ток в цепи управления пропорционален скорости потока.

Преимущества: возможны измерения при самых малых скоростях воздушных потоков (т.е. измерение тяги), возможность измерять скорость потока в разных направлениях.

Недостатки: чувствительны к механическим повреждениям и загрязнениям окружающей среды, чувствительны к турбулентным потокам, высокое потребление тока, ограничения по температуре окружающей среды.

Так же можно отметить некоторые патенты, в которых для измерения скорости воздушного потока предлагают использовать лазерный луч, как например патент SU 1797710 A3 от 06.06.1991. Авторы изобретения из Харьковского института радиоэлектроники им. акад. Янгеля используют лазер для сравнения времени прохождения его сигнала с сигналом обычного света и по полученной разнице определить скорость потока. Схема измерителя предлагаемая изобретателя представлена на рисунке.

Рисунок 1

В патенте SU 1140047 от 05.12.1983 авторы из Днепропетровского горного института им. Артёма и Днепропетровского завода шахтной автоматики для измерения скорости воздушного потока предлагают использовать генерируемое за счёт вращения крыльчатки ЭДС, в результате чего вносится изменения в образцовую частоту. Данный способ так же позволяет узнавать об изменении направления движения воздушного потока на обратный. Предлагаемая схема представлена на рисунке.

Рисунок 2

Иногда требуется получить среднею скорость воздушного потока, для решения этой задачи авторы патента SU 1024849 A от 13.10.1983 года из института геотехнической механики АН Украинской ССР предлагали устройство с использованием двоично-десятичных счётчиков и триггеров, схема которого представлена на рисунке.

Рисунок 3

2. Разработка функциональной схемы

В основе функциональной схемы цифрового измерителя скорости воздушного потока будет использован принцип преобразования механической энергии, создаваемой воздушным потом в электрическую, тем самым создавая зависимость выходного напряжения от скорости потока.

На основе данной концепции можно представить функциональную схему, представленную на рисунке 4. В основе лежит тахогенератор (ТГ), который преобразует угловую скорость вала, полученную за счёт силы воздушного потока, в электрический сигнал. Полученный сигнал передаётся в схему измерительного устройства (ИЗУ), индикаторного устройства (ИНУ) и исполнительного устройства (ИСУ), после чего выходной сигнал может быть передан на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

Генераторы и усилители СВЧ-сигналов

... с большинством генераторов резонансного типа. Так как скорость электронов всегда меньше скорости света, а фазовая скорость волны в ... волны электронный поток двигается навстречу потоку энергии. Эти особенности определяют расположение входа и выхода СВЧ сигналов. В лампах ... катода, Плотность тока катода (пиковая), Микропервеанс, Питание фокусирующего соленоида, Чувствительность на 1% отклонения анодного ...

Вся схема питается за счёт блока питания (БП).

Рисунок 4 — Функциональная схема цифрового измерителя

Выбор элементов и их статический расчёт

Блок питания требуется для преобразования стандартного переменного напряжения питания сети 220В в постоянное напряжение питания различных величин. Данный блок можно построить с помощью трансформатора с несколькими вторичными обмотками и диодных мостов, трансформатор помимо функции преобразования амплитуды питания так же будет нести функцию гальванической развязки цепи. Для стабилизации и снижения пульсации в схеме блока питания можно применить конденсаторы, стабилитроны и транзисторы.

Рекомендуется использовать асинхронный тахогенератор переменного тока. По конструкции такие тахогенераторы подобны асинхронным электродвигателям с полым короткозамкнутым ротором. На статоре такого тахогенератора расположены под углом 90° две обмотки, одна из которых (обмотка возбуждения) питается переменным током постоянной частоты и постоянного напряжения, а вторая является выходной, и к ней может быть подсоединён измерительный прибор (вольтметр, отградуированный, например, в об/мин).

Так как частота выходного напряжения не зависит от частоты вращения ротора и равна частоте напряжения в катушке возбуждения, такой тип тахогенератора и называется асинхронным. А благодаря двум независимым катушкам АТГ может не только отображать скорость вращения, но и определять направление вращения изменением фазы выходного сигнала на 180° при изменении направления вращения.

Выходной переменный сигнал с тахогенератора необходимо преобразовать в постоянный, а если требуется, то и усилить. Преобразование сигнала достигается в измерительном устройстве за счёт традиционного использования диодных мостов и ёмкостных фильтров.

Индикация о работоспособности устройства и сигнализация о неисправности выводится на индикаторном устройстве.

Исполнительное устройство служит для управления работой прибора в заданном диапазоне измеряемых величин, в случае превышения заданных параметров исполнительное устройство отключает измерительное устройство и подаёт сигнал на исполнительное устройство, о том, что измеряемые величины вышли из допустимого диапазона.

Выходной сигнал передаётся на АЦП, в котором преобразуется аналоговый сигнал в цифровой, который в дальнейшем передаётся для дальнейшей обработки в цифровых приборах.

3. Разработка принципиальной схемы

Работа анемометра основана на преобразовании скорости ветра в электрический сигнал, передаваемый от датчика скорости ветра на измерительный пульт. Скорость ветра измеряется трехлопастной вертушкой, соединенной с тахогенератором.

Схема состоит из блока питания, измерительного устройства, индикаторного устройства, исполнительного устройства и аналогово-цифрового преобразователя.

Блок питания представляет собой классический трансформатор с тремя вторичными обмотками

Таким образом, заряд ёмкости (Q) за один период в установившемся режиме будет равен произведению измеряемой ёмкости (C _x ) на амплитуду импульса заряжающего данную ёмкость (U_и ).

Прибор для измерения пульса

... курсовой работы является разработать прибор для измерения пульса, первичный преобразователь - фотоэлемент, вид индикации - светодиод. 1. Патентный поиск В рамках курсовой работы был произведен патентный поиск на тему «Прибор для измерения пульса». ... красного) диапазона, создающий излучение. Индикатор показывает наличие напряжения питания на излучателе. Приемник: Фотоприемник (фототранзистор) - ...

При периодической перезарядке ёмкости с частотой f средний разрядный ток, протекающий через микроамперметр можно определить следующим образом:

I _изм = Q * f =С_x * U_и

Из данного соотношения следует, что величина измеряемой ёмкости пропорциональна разрядному току и значит, что при стабильной частоте и амплитуде напряжения шкала прибора будет линейна во всём диапазоне измеряемых ёмкостей.

Принцип действия измерения индуктивности основан на явлении самоиндукции. Упрощённая схема измерения в режиме определения индуктивности представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 — Упрощённая схема измерения L

Если через индуктивность протекает изменяющийся по величине ток, то возникает ЭДС самоиндукции и напряжение на индуктивности (без учёта потерь) определяется следующим соотношением:

где: U _L — напряжение на индуктивности;

• L — индуктивность;
• ?I — изменение амплитуды тока;
• ?t — время, за которое это происходит.

Если в качестве промежутка времени, в течении которого производится измерение, взять период T напряжения прямоугольной формы, которое управляет транзисторным ключом, то можно показать, что достаточно с высокой точностью:

где:

• Ik- ток коллектора транзистора;
• f — частота управляющего напряжения.

Таким образом, измеряемая индуктивность будет равна:

Данное соотношение показывает, что измеряемая индуктивность пропорциональна амплитуде напряжение на ней, и шкала прибора линейна.

4. Разработка принципиальной схемы

Общая принципиальная схема измерителя L и С представлена на рисунке 13. В конструкции измерителя можно применить резисторы серии МЛТ-0.125, конденсаторы серии КМ-5, КМ-6, электролитические конденсаторы серии К50-6. На вторичной обмотке трансформатора блока питания (рисунок 6) переменное напряжение должно быть 7…9 В при токе 0.3 А. В выпрямителе блока питания помимо выпрямительных диодов типа Д310, КД105 и тп можно использовать диодную сборку КД906А.

Рисунок 6 — Принципиальная схема блока питания

Генератор импульсов (рисунок

Рисунок 7- Принципиальная схема генератора импульсов

Рисунок 8 — Общая принципиальная схема измерителя L и С

Кварцевый резонатор должен быть с частотой не ниже 1 МГц, в случае резонатора с более низкой частой потребуется микроамперметр с током полного отклонения менее 100 мкА, либо смещение верхних значений измеряемых величин на каждом пределе в сторону увеличения.

Генератор формирует импульсы напряжения прямоугольной формы, которые поступают на делитель частоты (рисунок 9) собранный на четырёх декадных счётчиках D2-D5 соединённых последовательно. В качестве декадного счётчика можно использовать микросхему К155ИЕ1. Переключателями S1-S5 выбирается рабочая частота.

Рисунок 9 — Принципиальная схема делителя частоты

Далее сигнал поступает на формирователь меандра D6 (рисунок 15) на основе двоичного счётчика типа микросхемы серии К155ИЕ5, в которой содержится четыре триггера.

Испытания и измерение сопротивления и емкости изоляции в отрасли железных дорог

... электрической прочностью газа по сравнению с твердой или жидкой изоляцией. Закономерности развития частичных разрядов можно проиллюстрировать схемой ... испытаний изоляции Перечисленные выше механизмы старения изоляции не исчерпывают все воздействующие на изоляцию факторы. Дополнительно на изоляцию ... от изоляции требуется не проводить ток при постоянном напряжении. Измерение сопротивления изоляции ...

Первый триггер (вывод 12) данного счётчика служит для управления блоком измерения, на его выходе всегда будет напряжение прямоугольной формы со скважностью 2 и частотой:

где К — коэффициент деления, который в зависимости от включённого переключателя S1-S5 составляет 1…10 ⁴ . Оставшиеся три триггера используются для растяжки шкалы прибора, требуемый коэффициент растяжки выбирается с помощью переключателей S6-S9.

Рисунок 10 — Принципиальная схема формирователя меандра

С переключателя S9 сигнал поступает на электронный ключ блока измерения (рисунок 10), собранный на транзисторе V1. В качестве транзистора V1 подойдет любой кремниевый n-p-n транзистор серий КТ315, КТ342. Диод V2 — германиевый серий Д2, Д9, Д10. Микроамперметр следует использовать мангнито-электрической системы типа М24 с током полного отклонения 200 мкА. Можно использовать любой другой подходящий микроамперметр с током полного отклонения до 300 мкА.

Рисунок 1

Конденсатор С7 требуется для уменьшения времени включения транзистора. Переключатель S10 служит для выбора вида измерений — L или С. Конденсаторы С2-С6, резистор R7 и переключатель S11 требуются для калибровки в режиме измерения ёмкости. При включении этого переключателя один из эталонных конденсаторов С2-С6, в зависимости от включенного переключателя S1-S5, подключается параллельно гнёздам Сх, переменным резистором R7, стрелка миллиамперметра устанавливается на последнее деление шкалы (при этом переключатель S10 должен находиться в режиме измерения ёмкости, а S6 во включённом состоянии).

Для проверки работоспособности всей схемы, переключатель S10 устанавливается в режим измерения ёмкости, подстроечный резистор R8 и переменный резистор R7 — в среднее положение и включают переключатели S1 и S6. После включения измеряется напряжение на выходе стабилизатора, которое должно составлять 5В, допустимое отклонение напряжения составляет 10%. После включения переключателя S11 стрелка микроамперметра должна отклониться на некоторый угол.

В случае зашкаливания прибора, то с помощью резистора R7 или R8 стрелку необходимо вернуть в рабочую область шкалы. Уменьшение показаний прибора на порядок при поочередном включении переключателей S7-S9 свидетельствуют об исправной работе задающего генератора, делителя частоты и формирователя меандра.

После проверки общей работоспособности включают переключатель S1, и не трогая резистора R7, резистором R8 стрелку микроамперметра устанавливают точно на последнюю отметку шкалы. Далее переключатель S10 необходимо перевести в режим измерения индуктивности и после этого, подключив к гнёздам L _x известный номинал индуктивности, резистором R6, не трогая резистор R8, стрелку микроамперметра устанавливают на соответствующее значение. После этого настройку измерителя L и С можно считать законченной.

Заключение

Разработанный прибор позволяет измерять ёмкости конденсаторов от 10 пФ до 8 мкФ на пяти основных шкалах: 0…100 пФ; 0…1000 пФ; 0…1000 пФ; 0…0,1 мкФ; 0…1,0 мкФ. Растяжкой шкалы верхний предел на каждом поддиапазоне может быть увеличен в 2,4 и 8 раз. Минимальное значение измеряемой ёмкости определяется только конструктивной ёмкостью прибора. Измерение индуктивности также производится на пяти поддиапазонах 0…10 мкГ, 0…100 мкГ, 0…1 мГн, 0…10 мГн, 0…100 мГн, 0…1 Гн с возможностью растяжки конечных значений в сторону увеличения. Также стоит отметить, что в случае использования задающего генератора, частота которого задана кварцем, точность прибора определяется в основном только точностью использованных при настройке конденсаторов и катушек индуктивности. Более того, правильно собранный прибор может обеспечить достаточно высокую стабильность показаний поэтому эталонные конденсаторы С2-С6 можно исключить.

Приборы измерения и контроля радиоактивности

... использоваться как в приборах для измерения уровней радиации на местности (рентгенометрах), так и в приборах для измерения степени заражения различных предметов (радиометрах). 3. ПРИБОРЫ РАДИАЦИОННОЙ РАЗВЕДКИ МЕСТНОСТИ К приборам, предназначенным для радиационной разведки местности, ...

К недостаткам прибора можно отнести необходимость питание прибора от сети 220 В, но его можно исправить, если использовать микросхемы серий К176, К164, К564, которые характеризуются малой потребляемой мощностью, таким образом из функциональной схемы можно будет исключить блок питания и заменить его источником постоянного напряжения 9 В. Также следует иметь ввиду, что для обеспечения высокой точности измерения необходимо свести к минимуму паразитную ёмкость между гнёздами подключения С _х . Для предохранения измерительного прибора от перегорания в случаях, когда порядок измеряемых величин неизвестен, процесс измерения следует начинать с наиболее высоких поддиапазонов.

Список использованных источников

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/izmerenie-potoka-vozduha/

1. electricalschool.info Школа для электрика [Электронный ресурс].

2. zpostbox.ru Узлы электронных схем [Электронный ресурс]. URL: http://zpostbox.ru/izmerenie_parametrov_katushek_induktivnosti.html (дата обращения: 15.05.2017)

3. projectproto.blogspot.ru Prototype Projects [Электронный ресурс]. URL: http://projectproto.blogspot.ru/2010/10/pic18f-usb-lc-meter.html (дата обращения: 16.05.2017).

4. www.radioamator.ru Радиосхемы и программы радиолюбителям [Электронный ресурс]. URL: http://www.radioamator.ru/publ/izmerenija/izmeriteli_l_c_r/prostoj_lc_metr/59-1-0-493 (дата обращения: 17.05.2017).

5. Авторское свидетельство №652503 СССР, G 01 R 27/28, Измеритель индуктивности и ёмкости / Кутявин В.С.; заявитель и правообладатель Всесоюзный научно-исследовательский институт телевидения и радиовещания — 2120755/18-21; заявл. 03.04.75; опубл. 15.03.79, Бюл. №10. — 2 с.: ил.

6. Степанов А. Простой LC — метр. — Радио. — 1982. — №3. — С.47-48.