МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
“ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
“ЛЭТИ” им. В.И.Ульянова (Ленина)”
(СПб ГЭТУ)
Кафедра БЖД
Эскизный проект
«Ультразвуковой сигнализатор изменения
состава газовой среды»
Выполнил: Мусатов Н.В.
Группа:7582
Проверил: Иванов А.Н.
Санкт-Петербург
2012г.
Оглавление
1. Описание разрабатываемой конструкции 3
2. Выбор первичного преобразователя 3
3. Разработка функциональной схемы устройства 4
4. Выбор элементов электронного блока, отвечающих требованиям технического задания 6
Микроконтроллер DS89C450 6
Цифро-аналоговый преобразователь AD8522 7
Излучающий усилитель 8
Символьный ЖКИ REC001602A 8
Температурный датчик DS18B20 9
5. Разработка алгоритма работы устройства 10
6. Разработка конструкции устройства 11
7. Функциональная схема разрабатываемого устройства 13
Описание разрабатываемой конструкции
Разрабатываемое устройство предназначено для контроля состава воздушных сред, с помощью измерения скорости звуковой волны в них. В основе конструкции ультразвукового газоанализатора используется акустическая ячейка. Данная ячейка состоит из металлической трубки с отверстиями, через которые свободно может проходить контролируемый воздух. На отверстиях устанавливается защитная сеточка, чтобы предотвратить попадание пыли в зону контроля. Токсичные и горючие газы легко проходят через защитную сетку и способны менять состав воздуха внутри камеры. На концах трубки располагаются излучающий и принимающий преобразователи. Акустическая ячейка подключается к электронному блоку, который формирует импульсы, принимает сигнал и производит обработку информации.
Излучающий преобразователь посылает короткие импульсы в воздушную среду, которые в свою очередь достигают приемного преобразователя. В момент излучения импульса запускается счетное устройство, производящее измерение времени прохождения сигнала в акустической ячейке.
Для контроля температуры на ячейке плотно крепится цифровой температурный датчик. Информация о состоянии температуры ячейки поступает в электронный блок и учитывается при обработке измерений.
Выбор первичного преобразователя
Акустическая ячейка является основным элементом установки. Она представляет собой металлическую трубку длиной 40 мм и диаметром 6мм, в которой проделаны отверстия для свободного прохождения воздуха (рисунок 1). На концах трубки закреплены электроакустические преобразователи для излучения и приема сигнала.
Рисунок 1 - Акустическая ячейка
Преобразователи изготовлены на кафедре ЭУТ СПбЭТУ из пьезокерамики, на которую нанесен согласующий слой (рисунок 2).
Рисунок 2 - Электроакустический преобразователь
Это позволяет эффективно излучать импульсы в воздушную среду. Частота резонанса данных преобразователей составляет 380 кГц.
Если ультразвуковой газоанализатор находится в помещении с плохой вентиляцией, то в конструкцию анализатора можно добавить устройство принудительного забора контролируемого газа.
Разработка функциональной схемы устройства
Функциональная схема разрабатываемого устройства приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Функциональная схема устройства
Микроконтроллер формирует импульсы определенной длительности с заданной частотой. При этом начинается отсчет времени пробега сигнала. Принятый сигнал усиливается и подается на компаратор, где сравнивается с опорным сигналом. В зависимости от того, какой сигнал больше, на выходе компаратора выдается логический “0” или “1”. Если принятый сигнал превышает опорное значение, то компаратор выдает сигнал и микроконтроллер останавливает отсчет времени (рисунок 4).
В качестве опорного сигнала на компаратор подается сигнал. Уровень данного сигнала задается программным путем, передается на ЦАП и далее на компаратор.
Результат измерения выводится на символьный ЖКИ. Если измеренное время отклоняется от «опорного» на заданную величину (зависит от контролируемого газа), то в этом случае подается сигнал на сигнализирующее устройство.
Для отслеживания изменения времени распространения импульса в ячейке необходимо знать точное время распространения сигнала в среде, состав которой нужно контролировать. Необходимо произвести калибровку прибора. В данном случае устройство необходимо включить в чистом воздухе. Первые измерения фиксируют «опорное время», относительно которого будут производиться измерения. Далее устройство помещается в контролируемую среду, где могут происходить выбросы различных газов.
Для защиты от ошибок измерения времени и, как следствие, от ложных срабатываний устройства в процессе измерения устанавливаются «временные ворота» (рисунок 4). Это интервал времени, в котором разрешается останавливать счетное устройство. До достижения начала «временных ворот» данная методика позволяет избавиться от возможных шумов и возможности принять ложный сигнал. После данного интервала счетчик останавливается в принудительном порядке, даже если необходимый сигнал не зафиксирован.
В разработанной акустической ячейке излучающий и приемный преобразователи расположены на расстоянии 34мм. Соответственно время распространения звуковой волны составляет около 100мкс. Временные ворота выставляются от 90 до 110 мкс.
Рисунок 4 - Временные диаграммы
Контроль температуры воздушной среды осуществляется с помощью цифрового температурного датчика. Информация о состоянии температуры передается в микроконтроллер, который производит температурную коррекцию результатов измерений.