Проектирование измерительной системы измерения силы

3.  
   Выбор промежуточных преобразователей.

 
Тензометрические усилители и  аналого-цифровые преобразователи. 
 
Тензометрические усилители. 
 
На практике, часто возникает потребность в преобразовании измерительных сигналов датчиков в стандартный сигнал самым простым методом, в непосредственной близости от датчика. Этот линейный тензометрический измерительный усилитель обеспечивает безаварийную, с низкими потерями, передачу измеряемых значений на большие расстояния на системы контроля или приборные панели.  
Модель линейного тензометрического измерительного усилителя 9235 идеально подходит для этой цели. Усилитель устанавливается на соединительном кабеле посредством штырьковых D-sub разъемов. Вследствие его компактной, прочной конструкции и малого веса, линейный тензометрический измерительный усилитель применяется во многих приложениях. Даже подвижное размещение, подверженное ускорениям, например на манипуляторах, не является проблематичным. Эти усилители предназначены, главным образом, для использования вне контрольных кабин, практически, в любом месте и c адаптацией к определенному датчику. Алюминиевый корпус линейного тензометрического измерительного усилителя обладает высокой прочностью и предоставляет очень хорошую защиту даже в тяжелых производственных условиях.  
Пользователям, которые предпочитают интеграцию усилителя в собственные схемные платы или в собственные корпуса, доступна поставка его как компонента открытого типа, с терминалами вместо штырьковых разъемов. 
 
Таким образом мы выбираем для нашего измерения усилитель типа: 
 
WGA-670A 
 
 
 
с техническими характеристиками: 
 
Нелинейность: ± 0,03%  
 
Выходное напряжение: ± 10 
 
Высокая скорость дискретизации: 2000. / секунду 
 
Возможность подключения до четырех датчиков параллельно с сопротивлением моста 350 Ом 
 
Оснащен функцией непрерывного удержания пиковых значений, что позволяет отображать только пиковые значения. 
 
Разрядность: от -19999 до +19999.  
 
Количество измерительных каналов: 1  
 
применяется преобразователь: Тензодатчик тип преобразователя  
 
применяется резистивный мост: 87,5 Ω до 10 кОм (четыре 350-Ω датчики могут быть подключены параллельно.)  
 
 
Аналого-цифровые преобразователи. 
 
Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код. 
 
Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения. 
 
Основные характеристики АЦП. 
 
АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samplespersecond, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью. 
 
Типы АЦП. 
 
Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов: 

•  
  АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
•  
  АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
•  
  дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

 
Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные  и комбинированные типы, состоящие  из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность. 
 
Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы TexasInstruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи. 
 
Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS. 
 
Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS. 
 
Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах. 
 
АЦП прямого преобразования 
 
АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS. 
 
 
 
Рис. 5. Структурная схема АЦП прямого преобразования 
 
Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП. 
 
Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priorityencoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром. 
 
Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие. 
 
Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла. 
 
АЦП последовательного приближения 
 
АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «LiberAbaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь:http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html. 
 
Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, SuccessiveApproximationRegister) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом: 
 
1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref). 
 
2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref). 
 
3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата. 
 
 
 
Рис. 6. Структурная схема АЦП последовательного приближения. 
 
Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов: 
 
1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником). 
 
2. Цифро-аналоговый преобразователь (DigitaltoAnalogConverter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода. 
 
3. Регистр последовательного приближения (SuccessiveApproximationRegister, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП. 
 
4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства. 
 
Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767). 
 
Дельта-сигма АЦП 
 
И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3. 
 
 
 
Рис.7. Структурная схема сигма-дельта АЦП. 
 
Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания». 
 
 
 
Рис. 8. Сигма-дельта АЦП как следящая система 
 
Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3]. 
 
На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу). 
 
 
 
Рис. 9. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе. 
 
Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут: 
 
http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html. 
 
 
Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов. 
 
Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6): 
 
 
 
Рис. 10. Структурная схема сигма-дельта модулятора 
 
Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования. 
 
Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП: 
 
Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1) 
 
То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора. 
 
 
Рис. 11. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра 
 
Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noiseshaping) в сигма-дельта АЦП. 
 
Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования. 
 
Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность, но не требуется высокой скорости. 
 
А так же мы выбираем аналого-цифровой преобразователь 
 
 
 
с техническими характеристиками: 
 
Количество входов: 16 синфазных / 8 дифференциальных 
 
Суммарная частота преобразования по всем включенным каналам: до 500кГц 
 
Количество разрядов АЦП: 16 
 
Максимальное входное напряжение/ток: ± 7 В 
 
Входное сопротивление: 2 кОм 
 
Динамический диапазон: 84 дБ 
 
Количество выходов: 2 синфазных 
 
Максимальное выходное напряжение: ± 2,5 В 
 
Количество разрядов ЦАП: 14 
 
Количество бит на вход/выход: 14 бит 
 
Габаритные размеры: 90 х 110 х 35 мм 
 
Вес: 0,2 кг 
 
Тип разъема аналогового входа/выхода (ответная часть входит в комплект) 
 
DSUB DB-25 
 
Тип разъема цифрового входа/выхода (ответная часть входит в комплект) 
 
DSUB DB-15

3. Расчет удлинения арматурной стали.
3. Определение и оценка силы натяжения арматуры.

 
Силу натяжения арматуры определяют как среднее арифметическое результатов  измерений. При этом количество измерений  должно быть не менее 2. 
 
Оценку силы натяжения арматуры производят путем сопоставления значений сил натяжения арматуры, полученных при измерении, с силой натяжения, заданной в стандарте или рабочих чертежах на железобетонные конструкции; при этом отклонение результатов измерений не должно превышать допускаемых отклонений. 
 
Оценка результатов определений силы натяжения арматуры по ее удлинению производится путем сопоставления фактического удлинения с удлинением, определенным расчетом. 
 
Фактическое удлинение не должно отличаться от расчетных значений больше чем на 20%. 
 
Расчет удлинения арматурной стали ∆l при отношении величины ее предварительного напряжения σ₀ к средней величине условного предела текучести ͞σ_0,2 более 0,7 производится по формуле  
 
_{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image012.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image012.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image012.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image012.gif" \* MERGEFORMATINET  INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image014.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image014.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image014.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image014.gif" \* MERGEFORMATINET}                                              (1)  
 
При отношении 0₀ и σ_0,2 менее или равном 0,7 расчет удлинения производится по формуле  
 
_{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image016.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image016.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image016.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image016.gif" \* MERGEFORMATINET} ,                                                                (2) 
 
где σ₀ - предварительное напряжение арматурной стали, кгс/см²;  
 
σ_0,2 - средняя величина условного предела текучести арматурной стали, определяемая из опыта или принимаемая равной 1,05, кгс/см²;  
 
σ_0,2 - браковочная величина условного предела текучести, определяемая по табл. 5 ГОСТ 5781-75, ГОСТ 10884-71, табл. 2 ГОСТ 13640-68, ГОСТ 846063, кгс/см²;  
 
E_а -   модуль упругости арматурной стали, определяемый по табл. СНиПII-21-75, кгс/см²;  
 
l _a - начальная длина арматуры, см.  
 
 
Пример 1. 
 
Расчетная длина арматурной стали класса А-IV при σ₀ =5500 кгс/см² и l_a=1250 см, натяжение - механическим способом.  
 
1. По табл. ГОСТ 5781-75 определяют браковочную величину условного предела текучести σ_0,2 =6000 кгс/см²; СНиП II-21-75 определяют модуль упругости арматурной стали E_а =2 × 10⁶ кгс/см².  
 
2. Определяют величину  
 
_{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image018.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image018.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image018.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image018.gif" \* MERGEFORMATINET} =6300 кгс/см².  
 
3. Вычисляют отношение _{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image020.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image020.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image020.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image020.gif" \* MERGEFORMATINET}  , поэтому удлинение арматурной стали определяют по формуле (1)  
 
_{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image022.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image022.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image022.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image022.gif" \* MERGEFORMATINET} . 
 
 
Пример 2.  
 
Расчет удлинений высокопрочной арматурной проволоки класса Вр-П при σ₀ =9000 кгс/см² и l_a =4200 см, натяжение - механическим способом.  
 
1. По результатам контрольных испытаний определяют среднюю величину условного предела текучестиσ_0,2 =13400 кгс/см²; СНиП II-21-75 определяют модуль упругости арматурной стали Вр-П. E_a =2 × 10⁶ кгс/см².  
 
2. Вычисляют отношение _{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image024.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image024.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image024.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image024.gif" \* MERGEFORMATINET}  , поэтому удлинение арматурной стали определяют по формуле (2) 
 
_{INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image026.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image026.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image026.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://text.gosthelp.ru/images/text/2239.files/image026.gif" \* MERGEFORMATINET} см 
 
Вывод  
 
В данной работе была изучена проблема измерения сила натяжения арматуры. Описаны существующие технические средства для решения этой задачи. Рассмотрены методы измерения силы натяжения с помощью тензорезисторов, изучены их основные характеристики. Так же изучен прибор ПИН для измерения силы натяжения арматуры: его устройство, технические характеристики и метод его применения. 
 
Измерение и знание силы натяжения арматуры важно в строительстве, производстве, от которой зависит прочность и надежность конструкции. 
 
 
Список используемых источников: 

1.  
   ГОСТ 22362-77 Методы измерения силы натяжения арматуры
2.  
   http://ru.wikipedia.org
3.  
   kyowa.ru
4.  
   http://www.p-d-o.ru/promishlennie-datchiki/datchiki-proizvodstvo-kyowa-yaponiya/datchiki-sili/datchiki-sili-paltsevogo-tipa-ltp-s-s.html
5.  
   Рубичев, Н. А. «Измерительные информационные системы». Издательство « Дрофа» .2010