21

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕКСТИЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н.КОСЫГИНА

Учебно-методический комплекс по специальности 200503

«Стандартизация и сертификация»

(для заочной формы обучения)

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ:

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ, КОНТРОЛЯ И ИСПЫТАНИЙ

Составители: Л.П.Себина,

А.А.Ермаков

Москва 2006

Работа содержит описания и методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу: «Автоматизация измерений, контроля и испытаний» для студентов заочной формы обучения по специальности 200503 «Стандартизация и сертификация». Методические указания предназначены для закрепления теоретических знаний, полученных на установочных лекциях. Лаб. работы №2 и №4 составлены доц., к.т.н. Себиной Л.П., лаб. работы №1 и №3 доц., к.т.н. Ермаковым.

Рецензенты: д.т.н., проф. А.А.Макаров

д.т.н., проф. А.Б.Козлов

Подготовлено к печати на кафедре автоматики и промэлектроники

Лабораторная работа №1 система автоматического контроля линейной плотности ленты

1. Цель работы

Изучение системы автоматического контроля линейной плотности ленты САК ЛП, основанной на методе неразрушающего контроля.

2. Задание на проведение работы

2.1. Изучить устройство САК ЛП, составить конспект.

2.2. Изучить методики оценки метрологических характеристик средств измерений, составить конспект.

2.3. Определить метрологические характеристики датчика ЛП.

2.4. Осуществить сопряжение датчика ЛП с микро-ЭВМ.

2.5. Составить алгоритм и программу первичной обработки информации.

3. Основные положения

Задача повышения качества полуфабриката и пряжи в большой степени связана с процессом чесания, с повышением качества чесальной ленты. Поэтому основной целью данной работы является изучение САК ЛП ленты, основанной на современных достижениях в развитии СИ и САК. Типичная структура САК ЛП, являющейся разновидностью информационно измерительных систем ИИС, представлена на рис. 1.1.

Даная САКЛП представляет собой НИС последовательного типа, содержащую следующие функциональные блоки ФБ:

1 – первичный измерительный преобразователь или датчик, установленный непосредственно на выходе измерительной машины. Выходной сигнал с датчика y' зависит от ЛП чесальной ленты.

2 – унифицирующий преобразователь линеаризацию функции преобразования, улучшение достоверности информации и преобразование сигнала в унифицированный сигнал y.

3 – аналого-цифровой преобразователь АЦП, преобразующий непрерывный электрический сигнал в двоичный код, что необходимо для передачи и обработки информации с помощью вычислительных микропроцессорных средств (МПС).

4 – блок сопряжения с МПС.

5 – МПС, в качестве которого может использоваться микро-ЭВМ, контроллеры и т.д. Измерительная информация после соответствующей обработки в 5 может поступать на цифровую индикацию 6, дисплей 7 и печать 8.

Кроме того, предусмотрен выход аналогового сигнала y после ОБ 2 на показывающий прибор 9 и регистрирующий самопишущий прибор 10.

Рис. 1.1

Одним из важнейших ФБ в данной довольно стандартной структуре САК является датчик, общетехнические и метрологические характеристики которого в существенной степени определяют характеристики всей САК ЛП. Поэтому более подробно рассмотрим методы и первичные средства измерений, использованные в настоящее время для контроля ЛП чесальной ленты.

3.1 Методы и средства измерения линейной плотности ленты

В зависимости от технологического процесса и физико-химических свойств контролируемого волокнистого материала применяют соответствующие методы и средства – датчики линейной плотности материала.

Механические преобразователи – датчики деформации работают по принципу зависимости перемещения пластин, каточков или валиков от линейной плотности и деформации проходящего между ними волокнистого материала.

Педальный преобразователь (рис. 1.2, а) представляет собой цилиндр 1 и педали 2, которые могут перемещаться в зависимости от изменения линейной плотности участка слоя волокна 3. Рычажная система, посредством которой педали 2 связаны между собой, представляет механический сумматор, последнее звено которого перемещается на величину ∆h = , где V = 2, 4, 6… число педалей, ∆h_n – перемещение n-ной педали.

Пазовые каточки (рис. 1.2, б) выполнены в виде двух роликов 4 и 5, один из которых имеет паз, в котором располагается лента.

Во всех механических преобразователях перемещение пластин или роликов преобразуется с помощью дополнительного преобразователя в воздействие, регулирующее плотность материала. Погрешности механических преобразователей определяются динамической и нагрузочной ошибками, связанными с уплотнением продукта под действием массы и сил инерции, возникающих в системе нагрузки датчика и приводящих к ограничению частотных свойств датчика.

Пневматические преобразователи – реализуют пневматическую систему «сопло-заслонка» и представляют собой воронку 5 (рис. 1.2, в) с внутренней камерой 7, в которую подается воздух под давлением P. В зависимости от линейной плотности проходящей через воронку ленты (ровницы или пряжи) изменяется ее уплотнение и соответственно давление P_x в камере 7.

Недостатком пневматических преобразователей является влияние влажности и вида волокна на погрешность измерения, а также нелинейность градуировочной характеристики преобразователя.

Радиоизотопные и фотоэлектрические преобразователи (рис. 1.2, г) работают по принципу ослабления интенсивности потока излучения при прохождении через волокнистый материал в функции его плотности.

Источником излучения 8 в таких преобразователях является или радиоизотопное вещество с -излучением, или излучатель светового или инфракрасного потока (лампы со светофильтрами, светодиоды), а приемником 9 излучения служит счетчик -излучения или фотоприемник (фотодиод, фототранзистор и др.). В общем случае связь между потоком излучения J₀ и воспринимаемым приемником 9 излучения потоком J определяется выражением J = J₀e^-µg , где µ – коэффициент массового поглощения, g – масса материала. Основным преимуществом лучевых преобразователей является бесконтактный способ измерения плотности материала. Радиоизотопные преобразователи имеют значительные размеры и требуют строгого соблюдения правил техники безопасности. Инфракрасные преобразователи отличаются высокой надежностью и компактностью. Емкостные преобразователи (рис. 1.2, д) представляют собой пластины конденсатора, между которыми размещается контролируемый по плотности материал. Емкость такого конденсатора определяется известным выражением: C = Kε, где K – конструктивный коэффициент, ε – суммарная диэлектрическая проницаемость:

ε = a₁ε₁ + a₂ε₂ + a₃ε₃ ,

где a₁, a₂, a₃ – весовые коэффициенты компонентов;

ε₁, ε₂, ε_{3 –} диэлектрические проницаемости соответственно воздуха, сухого волокна и воды, находящихся в контролируемом материале.

а) б)

в) г) д)

Рис. 1.2. Преобразователи линейной плотности материала: а) механический, б) роликовый, в) пневматический, г) радиоизотопный, фотоэлектрический, д) емкостной.

В этом случае значение a₂ε₂ и определяет плотность (массу) сухого волокна материала как контролируемого параметра. С целью повышения чувствительности такие емкостные преобразователи питаются напряжением высокой частоты (0,5  10 мГц) при включении в соответствующие измерительные схемы.

Применяются также и другие методы измерения плотности материала – ультразвуковые, по усилению притягивания и т.д.

В целом необходимо отметить, что независимо от метода измерения (кроме весового) на результаты измерений влияют физико-химические свойства волокон, их структура и расположение (ориентация), температура окружающей среды, степень обработки волокон.

В настоящее время достаточно широко используются в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами инфракрасные (ИК) оптоэлектронные преобразователи плотности волокнистого текстильного материала (холста, ленты, настила, ровницы, пряжи). Это определяется их преимуществами: малые габариты и вес, достаточно высокой чувствительностью, малым влиянием цвета волокна, плотность которого измеряется в инфракрасном диапазоне излучения (0,9  2,7 мкм). Согласно рис. 1.2, г прошедший через материал ИК поток излучения будет , где k_x – коэффициент; П – поверхностная плотность (на 1 см² поверхности материала); Ф₀ – поток излучателя 8, k_λ = k₀(1 – η)ρ, где η – безразмерный коэффициент, определяемый свойствами светорассеивающей среды и пространственным распределением потока; ρ – коэффициент отражения.

Отсюда

Ф = Ф₀ ,

где G – линейная плотность материала, ,

g – ускорение силы тяжести,

b – ширина объекта.

Следовательно

G = .

Основным недостатком оптоэлектронных ИК преобразователей плотности материала является временная и температурная нестабильность источников излучения (ИК – светодиодов) и фотоприемников (фотодиодов).

Известно, что температурная нестабильность ИК – светодиодов (АЛ – 108. 109, 124) составляет 0,6  0,8 %/С, а временная нестабильность (старение) – 0,2  0,3 %/100 час. Температурная нестабильность фотодиодов (ФД – 25К, 11К, 27К) составляет порядка 0,6  1,6 %/С в зависимости от схемы включения, а временная нестабильность – 0,3  0,5 %/100 час. При этом изменения температуры практически не приводят к изменению наклона характеристик светодиодов и фотодиодов, т.е. их чувствительности.

В связи с этим одной из основных задач при использовании оптоэлектронных ИК преобразователей линейной плотности материала является стабилизация мощности излучения ИК светодиодов и термокомпенсация фотодиодов. Выполнение этой задачи может быть достигнуто различными схемотехническими решениями. Один из вариантов датчика линейной плотности ленты представлен на рис. 1.3, где приведена его функциональная схема.

Измерительный канал датчика содержит преобразователь 1 «напряжение – ток», к выходу которого подключен ИК светодиод 2. Поток излучения Ф₀ светодиода 2 далее проходит через окна модулятора 3, приводимого во вращение синхронным двигателем 4. В результате этого при вращении модулятора 3 поток излучения Ф₀ поочередно проходит или через контролируемый материал 5 или непосредственно через световод 6 на фотоприемник – фотодиод 7. Таким образом на фотодиод 7 поступают поочередно два световых потока: контрольный Ф_x и ослабленный в функции плотности контролируемой ленты Ф. Одновременно от дополнительного светодиода 8, питание которого осуществляется от преобразователя 9 «напряжение – ток», световой поток Ф_n проходит через коммутирующие окна 10 модулятора 3 и преобразуется фотодиодом 11 в импульсы напряжения, распределяемые коммутатором 12 на управляющие входы ключей 13 и 14. Расположение окон модулятора 3 выбрано таким образом, что при формировании импульса напряжения от потока Ф (информационный сигнал) открывается ключ 13, а при формировании импульса напряжения от потока Ф_к (контрольный сигнал) открывается ключ 14. С выходом ключа 13 сигнал, амплитуда которого функционально связана с плотностью контролируемого материала, усиливается логарифмическим усилителем и является выходным сигналом датчика.

Рис. 1.3. Функциональная схема датчика линейной плотности ленты.

Поток ИК излучения разделяется на два потока, и каждый разделенный поток делится на два участка. Разделение пока ИК излучения на потоки и участки делается с помощью световодов. Таким образом, ИК излучение передается по 4 световодам, разделенным на 2 участка:

1 участок – от источника ИК излучения до механического вращающегося модулятора;

2 участок – от механического вращающегося модулятора до измерительной камеры.

Световоды закреплены в держателе световодов, состоящем из 2 одинаковых частей. На одной из частей держателя установлен источник фототока, на другой части – приемник фототока схемы управления коммутаторами. Части держателя закреплены между собой на расстоянии 3 мм, и между ними вращается механический модулятор. По одному из разделенных потоков подводится опорное значение ИК излучения к преемнику ИК излучения. Находящемуся в измерительной камере в тот момент, когда вращающийся механический модулятор своим прозрачным сектором находится между соответствующими друг другу участками 4 – 6 разделенного потока.

Б

t

A

t

Рис. 1.4

В этот момент времени непрозрачный сектор модулятора перекрывает соответствующие друг другу участки 3 – 5 разделенного потока, который подводится к тому же приемнику ИК излучений, что и опорный поток, не проходящий в измерительной камере через контролируемый продукт. В следующий момент времени, когда перед участком измерения ЛП ленты появляется прозрачный сектор, то по соответствующему участку 3 – 5 ИК излучения проходит по световодам через измерительную камеру с контролируемым продуктом и попадает на фотоприемник, а участок 4 – 6 с опорным значением потока ИК излучения закрывается, при этом τ контроля ≈ τ измерения.

Измерительная камера, в которой происходит измерение ЛП ленты, выполнена в виде кольца с диаметром отверстия для измерения ЛП ленты равным 18 мм. Кольцо имеет диаметр 40 мм и толщину 18 мм. В этом кольце перпендикулярно отверстию, предназначенному для контролируемого материала, имеется два отверстия диаметром 7 мм. В этих отверстиях закреплены оптические линзы, выполненные из стекла. К этим линзам с одной стороны подводился световод измерительного канала и крепился (приклеивался). К другой линзе также подводился световод через отверстие. Просверленное в стенке кольца под углом ≈40–45. В этой же линзе крепится преемник ИК излучения (приклеивается). Измерительная камера крепится к несущему каркасу всей оптической измерительной камеры. В целях безопасности механический модулятор вместе с держателем световодов закрыт металлическим кожухом, закрепленным также на несущем каркасе. Электрическая часть датчика выполнена в виде отдельных плат. Так, на одной плате изготовлена схема управления коммутаторами, выходной блок, блок питания источника ИК излучения с расположенными на них соответствующими элементами. Но есть и платы, на которых имеются и совмещенные узлы. Так, на одной плате выполнена схема усилителя фототока ИК излучения, коммутаторы и схемы выборки хранения. Разделение на отдельные платы сделано с целью лучшей ремонтопригодности, изготовления, поиска неисправностей, а при массовом производстве с целью замены отдельного блока. Электрический блок закреплен на общем каркасе в отдельном корпусе и соединяется электрически с оптической измерительной камерой проводами через разъем.

Наладка датчика.

Наладка датчика начинается с визуального осмотра на наличие замыкания или обрыва проводов. А также замыкания элементов. Далее проверяется механический модулятор. Модулятор должен свободно вращаться между держателями световодов при ручном покручивании модулятора, не задевая стенок держателя световодов. При необходимости отрегулировать положение держателя. Проверяется наличие напряжения на выводах блока питания (рис. 1.5). Напряжения блока питания должны быть +15 В, –15 В. При отклонении от номинального значения необходимо отрегулировать соответствующее значение напряжения.

Рис. 1.5. принципиальная электрическая схема датчика ЛП ленты

Затем проверяем схему управления коммутаторами. Для этого смотрим наличие напряжения на выходе DА1. При неосвещенном фотодиоде на выходе DА1 должно быть напряжение равно 0. Если на выходе напряжение больше 0, необходимо потенциометром R3 установить значение равное 0В. При освещенном фотодиоде VD1 должно быть напряжение 5 В. На выходе микросхемы DD1.2 должен быть логический «0», а на выходе DD1.1 – логическая «1». Величина логического «0» и логической «1» соответствует значениям 12 В и 10 В для данного типа микросхем. При неосвещенном фотодиоде VD1 лог. «0» и лог. «1» должны изменяться соответственно на каждом из выходов микросхемы DD1.2 и DD1.1. При включенном механическом модуляторе форма сигнала прямоугольная с частотой 200 Гц.

Проверка и наладка усилителя фототока ИК излучения осуществляется так же, как и проверка и наладка усилителя фототока схемы управления коммутаторами, т. е. проверяется наличие выходного напряжения на выходе DА2. В случае необходимости провести балансировку выходного сигнала при неосвещенном приемнике ИК излучения фотодиода VD3. При включенном механическом модуляторе перемещаем фотоприемник схемы управления коммутаторами VD1 добиваясь синхронного включения коммутатора DA 3.1 с приходом с приходом на него управляющего сигнала с DD1.1 со временем начала усиления на усилителе фототока ИК излучения. При освещенных фотодиодах VD1 и VD3 включается схема контроля мощности излучения (усилитель тока) через коммутатор DА3.1 при этом на выходе DA4, выполняющего функцию схемы выборки хранения, должно быть положительное напряжение приблизительно равное 5 В. Это напряжение поступает в усилитель тока. С помощью потенциометра R16 устанавливается ток, проходящий через источник ИК излучения светодиод VD8, равный 90 мА. Для этого в разрыв между VD8 и коллектором VT4 включается амперметр постоянного тока. После установления требуемой величины тока амперметр убрать, а разрыв запаять. При неосвещенном фотодиоде VD1 и освещенном фотодиоде VD3 включается через коммутатор DA3.2 логарифмический усилитель. Потенциометром R30 устанавливается напряжение равное 0В при отсутствии контролируемого материла в измерительной камере на выходе DA7. Потенциометром R34 устанавливается выходное напряжение логарифмического усилителя равное 6 В при помещение в измерительную камеру контролируемого материала на выходе DA7. Потенциометром R35 устанавливается напряжение приблизительно равное 0 В на эмиттерном повторителе.

Приборы, используемые для наладки датчика:

1. Осциллограф C1-55.

2. Вольтметр постоянного тока М-109.

3. Прибор комбинированный 4343.