Разработка методики и технических средств для УЗ контроля сварных шков обечайки ходовой рамы

Введение

 

Современная информационно-измерительная  техника располагает средствами измерения около двухсот различных  физических величин: электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т.д. Подавляющее большинство  этих величин в процессе измерения  преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки  и точности измерения. Поэтому в  современной измерительной технике  находят широкое применение преобразователи  разного рода физических величин  в электрические величины.

Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной  физической величины размером другой физической величины, функционально  с ней связанной.

Применение  измерительных преобразований является единственным методом практического  построения любых измерительных  устройств.

Измерительный преобразователь –  это техническое устройство, подстроенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное  измерительное преобразование. Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект измерения – это, как правило, сложный, многогранный процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на измерительный преобразователь совместно с остальными параметрами Нас же интересует только один параметр, который называем измеряемой величиной, а все остальные параметры процесса считаем помехами.

Целью курсовой работы является привитие навыков самостоятельного применения в исследованиях и расчетах знаний по основам измерительной техники, полученных при изучении теоретического курса [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Исходные данные

 

В курсовой работе необходимо разработать  цифровой прибор для измерения скорости вращения объекта. Диапазон измерений: от 100 до 5000 об/мин. Погрешность измерения: 2,5%. Тип преобразователя: бесконтактный, оптический. Исполнение стационарное. Питание устройства: от сети переменного напряжения с частотой 50Гц.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Анализ существующих методов  и средств контроля частоты вращения

 

Существует  простой способ измерения  частоты вращения путем использования  кругового модулятора с отверстиями. Его работа основана на использовании  источника и приемника излучения, которые расположены по разные стороны  от модулятора, при этом производится подсчет отверстий за определенный промежуток времени.

Используются различные методы измерения частоты вращения. В машиностроении и во многих областях техники необходимо точно определять частоту вращения, например для контроля и регулирования работы машин. Поэтому имеется много разнообразных типов тахометров, тем более, что в основу измерения частоты вращения могут быть положены разные физические явления.

Наиболее простой конструкцией отличаются механические тахометры. Они  выпускаются в очень больших  количествах в виде неподвижно встроенных в агрегат приборов, используемых для непрерывной индикации усредненного мгновенного значения частоты, или в виде ручных приборов, применяемых иногда для единичных измерений. Характерным для них является то, что показание получается непосредственно у места измерения или на небольшом расстоянии от него. Указатель потребляет энергию от самого объекта измерения. Объект измерения должен быть доступен и должен обеспечивать возможность установки тахометра или подключения его вручную. Механические тахометры могут быть снабжены электрическими или пневматическими преобразователями, позволяющими использовать их для целей управления и контроля.

Значительно удобнее как по возможности  использования для измерения  различных физических эффектов, так  и по возможности дальнейшей обработки  измерительных сигналов являются электрические  тахометры. Под ними понимаются все  тахометры, дающие на выходе электрический  сигнал. Сюда относятся, различные типы тахогенераторов, которые должны быть жестко связаны с объектом измерения  и, как и механические тахометры, приводимые во вращение энергией, потребляемой от объекта измерения. Они вырабатывают непрерывный сигнал, пропорциональный частоте вращения объекта измерений, и могут быть также с успехом  использованы для определения измерения  частоты вращения. Общим для всех электрических тахометров является возможность дистанционной передачи результатов измерений и их контроля и протоколирования совместно с  результатами измерения других параметров.

 Возможно преобразование выходного  сигнала в цифровой код, допускающий  дальнейшую обработку в вычислительных  машинах.

В настоящее время широко применяются  бесконтактные электронные тахометры  с аналоговой и цифровой индикацией [2].

 

 

3 Выбор и обоснование метода  измерения и первичного преобразователя

 

Для измерения частоты вращения контролируемого объекта выбираем оптический метод, исходя из исходных данных.

Метод заключается в использовании  светодиода, приемника излучения, механического  модулятора и оптической системы, для  направленного пучка излучения. В качестве светодиода возьмем полупроводниковый светодиод инфракрасного излучения АЛ 115 А. В качестве приемника излучения - фотоприемник ФД 256. Будем использовать оптическую схему с четырьмя компонентами.

Выбор данных элементов объясняется  простотой функционирования, погрешность  диода и фотоприемника входит в допустимые пределы исходных данных, надежность работы в данных условиях приемлема, дешевизна изготовления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Разработка алгоритма функционирования проектируемого устройства контроля

 

Алгоритм функционирования прибора  для измерения скорости вращения представлен на рисунке 4.1.

 

Рисунок 4.1 - Алгоритм функционирования прибора  для измерения скорости вращения

 

После включения источника питания  тумблером «СЕТЬ», расположенным  на передней панели прибора, начинается генерация светового потока светодиодом (блок1). Световой поток проходит через оптический модулятор (блок2) и попадает на фотоприемник, после чего преобразуется в напряжение (блок3). Т.к. сигнал с фотоприемника слабый, то для того, чтобы его усилить до уровня логической единицы (от 2.4 до 5В), используется операционный усилитель (блок4). Далее усиленный сигнал поступает на формирователь импульсов, который приводит его в форму прямоугольных импульсов (блок5). Импульсы поступают на счетный вход микропроцессора, где затем подсчитываются. Микропроцессорное устройство осуществляет считывание содержимого счетчика  и вычисляется результат измерения в соответствии с заданным выражением (блок6). Полученный результат выводится на цифровое устройство отображения информации (блок7).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Разработка структурной схемы  разрабатываемого устройства

 

      Структурная схема разрабатываемого устройства представлена на

рисунке 5.1.

 

Рисунок 5.1 - Структурная схема  устройства для измерения скорости вращения

 

На схеме показаны следующие  структурные элементы:

- источник излучения (ИИ);

- модулятор (М);

- фотоприемник (ФП);

- первичный преобразователь (ПП);

- операционный усилитель (ОУ);

- формирователь прямоугольных  импульсов (ФИ);

- счетчик (СЧ);

- цифровое устройство отображения информации (ЦУОИ).

Источником излучения (ИИ) служит светодиод  АЛ115А, с его помощью формируется  излучение - это инфракрасное излучение  с длинной волны равной 940 – 965 нм, поступающее на оптический модулятор (М) Оптическая система собирает необходимый  для работы прибора световой поток, формирует изображение требуемого качества и нужную величину поля зрения. Затем излучение попадает на фотоприемник ФД256 (ФП).                    Источник излучения, модулятор, фотоприемник вместе образуют первичный преобразователь. Фотоприемник преобразует излучение в напряжение, которое затем усиливается операционным усилителем (ОУ) до уровня логической единицы. Формирователь прямоугольных импульсов предназначен для получения сигнала прямоугольной формы. Которые затем будут подсчитываться внутренним счетчиком микропроцессора в течение заданного временного интервала.

В ПЗУ микропроцессора занесена программа, реализующая преобразование подсчитанного числа импульсов  в частоту вращения. Она выполняет  следующие действия:

-   в течении короткого интервала времени, равным , происходит подсчет импульсов, полученное значение количества импульсов N фиксируется,

• далее при помощи функции преобразования по формуле (5.1)

полученное значение количества импульсов N преобразовывается в частоту         вращения

 

n =,      (5.1)

 

        где Δt = 1 с = 1/60 минут – время подсчета импульсов, M = 60 – количество отверстий в модуляторе).

• полученное значение частоты вращения поступает на индикаторы.

        Микропроцессор должен содержать 4 десятичных счетчика. Это следует из следующего выражения для максимальной частоты вращения

      (5.2)

   Тогда 

 .

 

Вывод информации будет осуществляться четырьмя индикаторами. Первый будет  подсчитывать единицы, второй – десятки, третий – сотни, четвертый – тысячи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Расчет первичного преобразователя  проектируемого устройства

 

Условное изображение модулятора представлено на рисунке 6.1.

 

 Рисунок 6.1 – Внешний вид модулятора

 

     Ширина прозрачной  и непрозрачной части делается  одинаковой, что обеспечивает максимальную  мощность первой гармоники полезного  сигнала.

Форма сигнала зависит от соотношения  между размером сечения пучка  лучей в плоскости растра и  размером его ячейки. Оптимальной  является прямоугольная форма сигнала.

При выборе модулятора руководствуемся  условиями конструктивного исполнения данного устройства.

Зададимся числом импульсов на один оборот модулятора равным

35 единиц. Диаметр отверстий прозрачной  части модулятора принимаем   Ø2 мм.

Расстояние между отверстиями  принимаем равным  4 мм. Исходя из этого длина описанной окружности (по центрам отверстий):

 

                                               L = n₁*d₁ + n₂*d₂,                                        (6.1)

 

где  n₁ – количество прозрачных отверстий;

       d₁ -  диаметр прозрачных отверстий;

       n₂ – количество непрозрачных отверстий;

       d₂ - диаметр непрозрачных отверстий.

Тогда длина окружности модулятора по центрам отверстий:

 

L = 60*2 + 59*2 = 238 мм.

 

Диаметр модулятора по центрам отверстий  составляет:

 

 мм.

 

 

 

7 Расчет первичного преобразователя

 

Геометрический расчет. В расчет первичного преобразователя входит: расчет оптический системы и энергетический расчет.

Произведем геометрический расчет оптической системы. В нашем случае используется оптическая схема с  четырьмя компонентами, так как такая  схема может быть использована в  приборах, имеющих оптический модулятор (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 – Оптическая схема с четырьмя компонентами

 

Расчет такой оптической схемы  довольно прост, так как все элементы схемы находятся в фокальных  плоскостях оптических компонентов. Зная геометрические размеры источника  излучения Dис, диафрагмы (отверстий модулятора) Dд и размеры светочувствительной поверхности фотоприемника Dфп из формулы подобия рассчитываются фокусные расстояния линз рассчитываются по формуле (7.1):

 .    (7.1)

Размер d выбирается конструктивно исходя из условий закрепления линз.

D_ИС = 2,4 мм, D_ФП = 2,5 мм, D_Д = 2 мм, d = 5 мм. Диаметр линз принимаем равным 15 мм с толщиной 2 мм.

Исходя из конструктивных соображений  при изготовлении линз принимаем: f₁ = 24 мм, f₃ = 20 мм.

Исходя из этих данных, получаем:

 

f₂ = = 20 мм,

 

f₄ = = 25 мм.

 

Общую длину оптической системы  рассчитаем по формуле (7.2).

 

L_ОБЩ = f₁ + f₂ + f₃ + f₄ +2*d.     (7.2)

 

Тогда получаем:

 

L_ОБЩ = 24 + 20 + 20 + 25 + 2*5 = 99 мм.

 

Энергетический расчет. Целью энергетического расчета является определение величины потока достигающего фотопреобразователя, исходя из мощности источника излучения, потерь в оптической системе и влияния функции преобразования.

В общем случае величина потока достигшего светочувствительной поверхности  фотоприемника определяется по формуле (7.3):

                        ,                                        (7.3)

где Фи – поток, излучаемый светодиодом;