Інформаційно-вимірювальна система тиску газу в газопроводі (стр. 4 из 5)
Вихідна напруга підсилювача ввімкненого за диференційною схемою буде дорівнювати підсиленій різниці напруг на його входах
,(3.1)де
– коефіцієнт підсилення операційного підсилювача; 
– напруга на неінвертуючому вході підсилювача; 
– напруга на інвертуючомо вході.Коефіцієнт підсилення, при ввімкненні операційного підсилювача так, як це показано на рисунку 3.7, буде визначатись відношенням резистора R2 до резистора R1, тобто:
.(3.2)Для забезпечення роботи датчиків необхідно гарантувати стабільне їх живлення. Для цього використаємо схему джерела живлення з використанням лінійного стабілізатора напруги МС7810 зображену на рисунку 3.8.
Рисунок 3.8 – Схема джерела живлення
У схемі використовується лінійний стабілізатор напруги МС7810, на виході якого підтримується стале значення напруги 10В. Ця напруга і використовується для живлення схеми приладу. У схемі використовуються також три електролітичні конденсатори С1, С3 та С5 ємністю 220 мкФ, призначені для того, щоб не пропускати низькочастотні складові у сигнальні кола, та три керамічних конденсатори С2, С4 та С6 ємністю 0,1 мкФ – для усунення високочастотних завад.
Для спряження ІВС з ПЕОМ згідно технічного завдання використаємо інтерфейс RS-485, призначений для обміну даними по симетричній лінії зв’язку. Основні параметри інтерфейсу:
а) лінія зв’язку – симетрична, екранована вита пара;
б) відстань передачі даних – 1200 м при використанні витої пари з поперечним перерізом проводу AWG24;
в) максимальна швидкість обміну даними – 10 Мбіт/секунду.
До основних переваг інтерфейсу можна віднести:
а) відносно низька собівартість мікросхем драйверів;
б) малі габаритні розміри мікросхем драйверів;
в) низьке енергоспоживання.
Для реалізації інтерфейсу використаємо мікросхему ADM485 виробництва фірми AnalogDevices, умовне графічне позначення якої наведено на рисунку 3.9.
Рисунок 3.9 – Умовне графічне позначення мікросхеми ADM485
Параметри мікросхеми MAX485 наступні:
а) напруга живлення – 5 В;
б) струм споживання – 0,5 мА;
в) швидкодія – 2,5 Мбіт/секунду.
У схемі необхідно забезпечити гальванічну розв’язку між драйверами і приймачами інтерфейсу та джерелами даних. При відсутності її перевантаження на лінії може привести до виходу з ладу пристроїв підключення до шини.
Для забезпечення гальванічної розв’язки використаємо оптопару 4N35, схема підключення якої зображена на рисунку 3.10. Принцип роботи оптопари наступний. Коли через світлодіод оптопари протікає струм, він випромінює світло. Відповідно відкривається фототранзистор оптопари і через нього почаняє протікати струм. Фототранзистор включений як емітерний повторювач, відповідним навантаженням якого є резистор R3.
Рисунок 3.10 – Схема підключення оптопари
Отже, в даному розділі описані датчики тиску, розрідження, різниці тисків і температури та основні мікросхеми, що входять до електричної принципової схеми ІВС, такі, як мікроконтролер, АЦП, драйвер інтерфейсу RS-485.
4. Електричні розрахунки
Розрахуємо схему диференційного включення операційного підсилювача LM358, зображену на рисунку 3.7 для вимірювальних каналів різниці тисків та розрідження.
Вихідний струм
датчика протікатиме через резистор R1, а вихідна напруга падатиме на резисторі R1, оскільки потенціал на інверсному вході дорівнюватиме 0 в наслідок того, що він з’єднаний з землею через великий вхідний опір операційного підсилювача.
.(4.1)Звідси з формули 3.2 можна отримати вираз для визначення опіру резистора R4
(4.2)Для схеми диференційного включення операційного підсилювача R1=R2, а R3=R4.
Оскільки діапазон вхідних напруг АЦП від 0 до 10 В, а діапазон вихідних напруг датчика SLP від 0 до 50 мВ, то необхідно забезпечити коефіцієнт підсилення рівний
.Для датчика SLP вихідний струм згідно [5] становить 10 мА, а максимальна напруга – 50 мВ, тоді для схеми, що використовується у вимірювальному каналі розрідження
Ом.Тоді опір резистора R4
Ом.Для датчика 26 PCSMTдіапазон вихідних напруг від 0 до 150 мВ. Для підсилення сигналу датчика необхідно забезпечити коефіцієнт підсилення
.Для датчика 26 PCSMT вихідний струм згідно [5] становить 10 мА, а максимальна напруга – 150 мВ, тоді для схеми, що використовується у вимірювальному каналі різниці тисків
Ом.Тоді опір резистора R4
Ом.Для датчика FP2000 діапазон вихідних напруг співпадає з діапазоном вхідних напруг АЦП, тому підсилювати сигнал датчика не потрібно. Необхідно забезпечити коефіцієнт підсилення
.Для датчика FP2000 вихідний струм згідно [5] становить 10 мА, а максимальна напруга
– 10 В, тоді для схеми, що використовується у вимірювальному каналі надлишкового тиску 
Ом.Тоді опір резистора R4
Ом.Розрахуємо резистор у схемі джерела живлення, зображеній на рисунку 3.8. Датчики живляться від напруги 10 В, трансформатор понижує напругу з 220 В до 15 В змінного струму, а на виході діодного моста маємо 15 В постійного струму. Для стабільної довготривалої роботи лінійного стабілізатора напруги МС7805 необхідно забезпечити якомога менше падіння напруги на ньому. Забезпечимо падіння напруги на мікросхемі на рівні 1 В, тоді на резисторі R падатиме напруга
.Тоді опір резистора з врахуванням номінального значення струму в схемі 20 мА,
Ом.У схемі діодного моста використаємо діоди 1N4148.
Для усунення високочастотних завад використаємо у схемі джерела живлення керамічні конденсатори K73-17-100B-0,1мкФ+10%.
Розрахуємо номінали резисорів у схемі підключення оптопари зображеної на рисунку 3.10.
Опір резисора R1 знайдемо за формулою
,(4.3)де
= 5 В – напруга рівня логічної одиниці; 
= 1,5 В – падіння напруги на світлодіоді; 
= 10 мА –струм, що протікає через світлодіод.Тоді
Ом.Резистор R2 вибираємо 47 кОм, а резистор R3 – 1 кОм.
5. Розрахунок похибки вимірювання
Джерелами виникнення похибки вимірювання є датчики тиску і температури та аналого-цифровий перетворювач.
Похибка мікросхеми ТМР03 – це похибка шпаруватості, яка визначається за формулою:
(5.1)де
f – період імпульсу, мс; 
– тривалість імпульсу, мс.Номінальна вихідна частота мікросхеми 35 Гц. Пристрій працює з фіксованою довжиною імпульсу Т1, яка складає 10 мс. Тоді
(мс), 
.СКВ квантування АЦП можна визначити за формулою
,(5.2)де
– крок квантування, який в свою чергу визначається при відомому значенні опорної напруги АЦП за формулою 
,(5.3)де
– значення опорної напруги; 
– розрядність АЦП.В даному випадку використовується 8 розрядів АЦП.
Отже, крок квантування АЦП
.Тоді СКВ похибки квантування
.