仪表设计信息（精选8篇）
仪表设计信息 篇1
0 引言
轿车仪表系统为驾驶员指示车辆在各种状态下各部件的运行状况, 从而使汽车可靠、安全地行驶。它兼有技术和艺术的功能, 反映出车辆设计风格和制作工艺上的特点, 是整车的代表作和亮点之一。轿车仪表是人与轿车之间进行信息传递和交换的人机交互界面。
当代的轿车追求“人车合一”, 设计中要体现以人为本的设计思想。汽车设计师们逐渐将更多的精力投入到了新车型内饰方面的考虑上, 尤其是汽车仪表系统的改造和完善。在这一过程中探索了在轿车仪表设计中实现人性化设计的基本思路。
1 轿车仪表显示信息人机交互
人机交互主要包括7个方面的内容:“人的特性研究、机器的特性研究、环境的特性研究、人-机关系的研究、人-环境关系的研究、机-环境关系的研究、人-机-环境系统总体性能的研究。”[2]轿车仪表板是驾驶员与车辆间信息、作业交互的人机界面, 它集中了全车的仪表, 显示车辆的工作状况。随着现代电子技术的进步和汽车性能的发展, 相应的多功能、高精度、读数直观的汽车仪表随之出现, 电子数字显示及图像显示的仪表得到了进一步推广。
不同轿车的仪表不尽相同, 但一般轿车的常规仪表为:车速里程表、发动机转速表、燃油表、机油压力表、水温表、充电表等, 这就是通常所说的“六大表”。在这六大表中, 燃油表、机油压力表和水温表都直接与发动机的工作有关。其中燃油表和水温表也可以用指示灯来代替, 用以提示燃油不足以及水温偏高或偏低。现在很多车型的电器设备日趋完善, 车上都装有计时器件, 以石英钟占多数, 包括指针式和数字式两种。有的车型还配备了油耗表, 用来指示汽车行驶中燃油的消耗情况。油耗表所反映的是一个瞬时的、动态的燃油消耗量, 以此来控制汽车行驶中发动机与汽车行驶工况的匹配关系, 从而反映行车的经济性。
在轿车仪表板上通常同时装有多达几十种信号指示灯, 其中最常用的有ABS指示灯、EPC指示灯、O/D档指示灯等。
轿车仪表中绝大多数的信息是通过图形符号的形式来表现和传递的。按照符号学的观点, 符号都必须具有符号的内容和语义学的规则, 也就是说, 它必须是能指与所指紧密结合的双面体, 要想顺利传递信息, 二者缺一不可。符号的代表形式就是人们日常所使用的语言, 它所构成的是一个高度概括、抽象的虚拟世界。符号作为一种媒介, 想要传达抽象的内容, 不但要表现为能被对方所感知的某种形式, 还必须包含能被对方理解的抽象内容。
仪表显示符号要实现信息的传达, 在符号体系完善以及传送通道通畅的前提下, 顺利传递的关键就在于在仪表信息显示系统设计者与驾驶者之间约定两者共知共识的符号表示规则。仪表信息符号的形式特征主要通过形状、色彩、材质等要素来表现, 有二维和三维两种空间存在方式, 并且依靠视觉来感知。轿车仪表显示中的文字绝大部分为英文和阿拉伯数字, 人眼对这些信息的识别特性与对图形符号的识别有很大的相似之处。而轿车仪表与驾驶者在色彩方面的交互主要体现在常用仪表指示灯的配色上。
2 轿车仪表显示信息交互设计
轿车仪表板是各种仪表、信号灯的集合处, 更是操纵控制与显示的集中部位, 而且在整车造型方面极其重要, 所以必须在设计阶段权衡利弊, 精心布局。首先应符合人机工程学原理, 安全舒适;其次应充分考虑到驾驶者的各种使用习惯;最后还需造型美观, 特色鲜明, 但要与整车的造型风格协调一致。车辆仪表设计得好, 会使驾驶员感到得心应手, 反之, 甚至会影响到其生命安全。纵观各类汽车的仪表板, 尽管因车型、功能不同而风格迥异, 但都有一个共同的特点, 即“除了具有必备的功能性外还具有实用性和人机关系的协调性”[3]。
轿车仪表的设计应以“人性化”为最主要的指导原则。轿车目前在国内市场上还属于消费品而非生活必需品, 因此其设计不仅要偏重于生理学的层面, 而且必须兼顾消费者心理层面的需求, 在设计上要尽可能符合产品审美要求与潮流的发展。任何产品的人性化设计都应该是功能主义的, 必须在保障产品的主要功能不受影响的前提下改进其外形、结构设计以符合人机工程的一般要求。轿车仪表信息的传递要以信息交互的基本原则来指导交互设计。
对使用者生理与心理的研究是设计“以人为本”的具体化。这种设计思想最早把心理学引入到计算机人机界面的设计评价中来。轿车仪表的最终使用者是驾驶者, 要使仪表适应驾驶者, 而不是让驾驶者去适应仪表。应该以驾驶者的生理、心理特性为核心, 以当前计算机显示技术以及各相关行业标准为辅助, 使仪表信息显示设计具备用户特性、任务特性、系统特性、界面设计特性。随着计算机和电子技术的发展及广泛应用, 信息显示领域的人机交互将会以多种方式来实现, 用户界面将会从之前使用较多的“认知型”逐步转向更为高效和人性化的“直觉型”。
3 总结
综上所述, 提出仪表信息交互界面设计的6点原则:1) 信息显示符号由具体到抽象;2) 由可见的内容显示不可见的内容;3) 激发驾驶者的交互兴趣以及学习和交流的欲望;4) 减少驾驶者的短期记忆负担;5) 交互过程中使用用户语言;6) 适当考虑特殊驾驶者的个别差异。
参考文献
[1]孙庆华.针对视障用户的网络信息无障碍研究[D].北京:首都师范大学, 2008.
[2]刘伟, 袁修干.人机交互设计与评价[M].北京:科学出版社, 2008.
[3]吴琼.工业设计技巧与禁忌[M].北京:机械工业出版社, 2009.
[4]谭浩, 赵江洪, 王巍.汽车人机交互界面设计研究[J].汽车工程学报, 2012.
[5]谭浩;赵丹华;赵江洪.面向复杂交互情境的汽车人机界面设计研究[J].包装工程, 2012.
仪表设计信息 篇2
根据当前市场对称重仪表的实际需求,以STC89C52单片机为核心,结合等臂全桥差动电阻应变式称重传感器、三运放仪表放大器、MAX111A/D转换器等功能设计出一种具有高精度、高可靠性、动态响应好、现场适应能力强等特点的新型数字化称重仪表.
作 者：刘海俊 作者单位：内蒙古科技大学信息工程学院 刊 名：科技信息 英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(12) 分类号：G64 关键词：称重仪表 数据采集 STC89C52单片机 MAX111A/D转换器
仪表设计信息 篇3
故障处理及检修简易流程图为:发现故障,如点巡检发现故障、接调度或现场电话及检修;迅速赶到故障现场; 查询并掌握相关测点信息,包括名称、位号、电缆号、端子号、 型号、说明书等;确定故障原因并修复。由故障处理过程分析得出,快速准确的掌握各测点的详细信息,对故障处理所需时间,缩短检修时间至关重要。对此,小组成员充分应用科学分析,确定课题为:实现重要仪表测点信息“全息化”,缩短信息查阅时间,提高维护效率。
2课题目标
根据确定的课题,设定目标为:缩短信息查阅时间, 原来平均一个测点查阅时间约为10分钟到平均一个测点查阅时间5分钟;维护过程零基础查询,不需要传统的查看信号表、查图纸,看程序便可以获得相关信息。
3原因分析
小组成员利用头脑风暴法,根据原因分析图,确定要因为:不能快速准确的查询到测点详细信息。(包括型号、 规格、量程、位号、端子号、接线箱、信号来源、信号去向、 模板槽号、通道号等信息)
4方案确定
4.1提出方案
小组成员运用头脑风爆法,对如何快速准且的查询到测点信息,围绕实现小组活动目标,提出各种方案,整理如下:提高人员技术水平;如组织各种培训,熟悉软件; 多跑现场,熟悉仪表信息;增加新软件或建立新数据库存放资料信息;挖掘软件潜力,完善软件功能;即利用现有软件完善测点信息;减少测点个数,减少故障。
4.2方案比选,确定最佳方案
经过对以上方案的详细分析,结合我们实际,每个成员从可行性、经济性、难易度、实施效果等方面进行打分, 权重分别为5分、3分、1分。
方案比选表见表二:方案比选表
综合得分满分180分,我们把得分率超过60%——— 即108分以上做为可采用的方案,则3号为采用方案,1号、 2号、4号为不可采用方案。
表中:◎ 5分 ○ 3分 △ 1分
5制定对策
5.1确定开发流程
确定方案后,小组经过多次讨论研究,确定了重要仪表测点“全息化”流程:选取锅炉重要仪表测点;选取风机重要仪表测点;确定各重要仪表测点故障处理时所需信息;对各个系统测点信息进行完善。
5.2对策制定及实施
6确认效果
6.1运行检验
重要仪表测点“全息化”后,极大的缩短信息查阅时间, 由原来平均一个测点查阅时间约为10分钟到平均一个测点查阅时间< 0.5分钟。
重要仪表测点“全息化”后,只需将鼠标放在监控画面上测点位置便可获得该测点信息,无需任何基础。
6.2经济效益
通过小组成员的共同努力,用零成本投入,实现重要仪表测点“全息化”,信息准确、快速、直观,且便于及时修正。大大缩短信息查询时间,为故障处理、检修赢得宝贵时间,带来的经济效益不可估量。
7总结及巩固
仪表盖注射模具设计 篇4
如图1所示为塑料仪表盖。技术要求: (1) 塑件不允许有裂纹、变形缺陷; (2) 脱模斜度30”; (3) 未注圆角R1。材料为PP。
该塑件为回转体, 顶部设有孔设计时不仅要注意材料的各项性能, 还要注意浇注系统的设计, 并且推出件要设计严谨。壁厚相对均匀, 设计合理, 且符合最小壁厚的要求, 末端有3mm的台阶, 做型心应注意设计间隙要求, 该塑件结构较典型。
2 注射成型机的选择
通过计算得到塑件的体积为:
V塑件=39601m m3。PP材料ρ=0.90-0.91g/cm3, 根据塑件形状及尺寸, 采用一模两件的模具结构。
又有V塑件=0.8V
初步计算选螺杆式注射机XS-ZY-250。
注射机XS-ZY-250主要技术参数如表1所示
3 浇注系统的设计
注射模具浇注系统是指熔体从注射机的喷嘴开始到型腔截止流经的通道, 他们主要由主流道、分流道、浇口、冷料穴等几部分组成。主流道为圆锥形, 上部直径与注射机喷嘴配合, 查表得知XS-ZY-250型注射机的喷嘴有关尺寸为: (1) 喷嘴孔直径d0=Φ6m m。 (2) 喷嘴球半径R0=18m m。 (3) 模具浇口套主流道小端直径为:d=d0+0.5=6.5m m。 (4) 模具浇口套主流道球面半径为:R=R0+1=18+1=19m m。
侧浇口开设在分型面上, 塑料熔体于型腔的侧面充模, 其截面形状多为矩形狭缝, 调整其截面的厚度和宽度可以调节熔体充模时的剪切速率及浇口封闭时间。冷料穴一般开设在主流道对面的动模板上。端部为Z字形和拉料杆的形式, 开模时主流道凝料被拉杆拉出, 具体数据如图2和3所示:
4 成型零部件设计
型腔是成型塑件外表面主要零件, 主型芯是成型其主体部分内表面零件。主型芯设计成整体嵌入式凹模, 结构制造, 加工效率高, 装拆方便, 能节省贵重模具材料。成形其他小孔的型芯称为小型芯, 设计中考虑了保证型芯强度, 防止热处理时变形, 且避免了尖角与壁厚突变。
根据塑件材料, 该塑件平均收缩率为Scp= (1.0+2.5) %/2=0.0175
型腔径向尺寸
型腔径向尺寸φ63.850+0.05
型腔轴向尺寸
型芯轴向尺寸36.90+0.22.810+0.38
根据塑件的形状特点, 确定模具型腔的定模部分, 模具型芯在动模部分。塑件成型开模后, 塑件与型芯一起留在动模一侧。该塑件结构简单, 含有很多圆形内孔, 可用推板推出机构。推板推出塑件的运动方式与推杆推出的运动方式基本相同, 只是增加推板, 使模具的闭合高度加大, 但结构可靠, 推板推出机构动作均匀可靠, 且在塑件上不留任何推出痕迹。
为满足模具在不同温度条件下的使用, 可在适当的位置布置直径d为8mm的管道来调节温度, 冷却水通过外部的塑料软管循环, 调节冷却水的流速和温度, 可在一定温度范围内调节冷却效果。
5 注射机有关参数的校核
由于XS—YZ—250型注射机所允许的模具最小厚度为200mm, 最大厚度为350mm, 如图4所示, 本模具中闭合高都H=294mm, 所以满足要求。该模具的最大外形尺寸为200mm*400mm, XS-ZY-250型注射机模板最大安装尺寸为589mm*520mm, 故能够满足模具安装的要求。
XS-ZY-250型注射机的最大开模行程Sm ax=500m m。为了使塑件成型后能够顺利脱模, 确定该模具的开模行程S应满足下式要求:Smax>H1+H2+ (5-10) mm其中H1-塑件所用的脱模距离, H2-塑件高度。
H1+H2+10=55+50+10=115m m。故该注射机的开模行程满足要求。
根据上述设计计算, 综合应用Pro/E, AutoCAD设计的模具二维装配图如图4所示:
6 结语
综合应用Pro/E和AutoCAD进行设计, 提高了设计精度和设计效率, 模具采用推板推出顺利脱模, 生产实践表明, 模具结构合理, 塑件质量符合要求。
参考文献
[1]杨占尧.最新模具标准应用手册.北京:机械工业出版社.2011, 4.
[2]张正修.模具产业的现状及发展对策[J].五金科技.2005, 8.
捷达组合仪表检测系统设计 篇5
汽车组合仪表是人和汽车的交互界面, 作为汽车上最重要的信息终端, 为驾驶员提供所需的汽车运行参数、故障提示、行驶里程等信息。其显示的直观与美观使得驾驶不但是代步之必需, 也成为舒适生活的一部分, 而参数传递的准确与可靠性则直接关系到汽车行驶的安全。随着汽车电子技术的发展, 汽车组合仪表将成为汽车的电子控制信息中心, 信息量增多, 功能强大, 是汽车电子技术的一个研究重点。
国内针对汽车组合仪表的检测系统的研发目前还处于初始阶段。对仪表的检测只能在整车上进行。汽车制造厂对于新组装的汽车如要仪表出现问题, 即耽误了企业的工作效率, 而对于汽车修理人员, 往往仪表上的信息会指引修理方向, 仪表上错误的信息必会浪费时间、人力和物力。汽车仪表检测系统的开发将有效的解决上述问题。我国目前的汽车组合仪表尚以机械式为主, 通讯方式以线束为主, 这种模式最大的弊病是过于依赖线束, 导致系统复杂。对汽车仪表而言, 使用电子式仪表板较之传统仪表的优势在于硬件功能的软件化和系统集成度被大大提高。随着微电子技术的发展, 微处理器的处理速度越来越快, 一些实时性要求高, 原本由硬件完成的功能, 就完全可以通过对微处理器编程来实现。在大规模集成电路技术迅速发展的今天, 集成电路的密度越来越高, 体积越来越小, 内部结构越来越复杂, 功能也越来越强大, 随着仪表的部分功能硬件不断地被软件取代, 整个系统的集成度也在相应提高。
2 组合仪表检测系统设计
汽车组合仪表一般包括车速里程表、转速表、机油压力表、水温表、燃油表、故障警告灯及其指示灯等。本文针对大众公司捷达汽车的1GD919033F机械式组合仪表进行相应检测设计。其车速表与里程表是机械式仪表, 由电机驱动。仪表内部由远光灯、转向灯、蓄电池、机油压力指示灯、冷却液温度表、燃油量表、发动机转速表、仪表板照明灯和电子时钟组成。组合仪表检测系统的总体方案框架如图1所示。
该组合仪表检测系统的硬件按功能主要分为:电源模块、单片机控制模块和电机驱动模块 (车速表与里程表是机械式仪表由电机驱动) 。仪表内部的远光灯、转向灯、蓄电池和机油压力四个指示灯由系统控制开关对其进行控制;冷却液温度表和燃油量表由可变电阻模拟冷却液温度信号和燃油量信号控制。其中, STC12C5A60S2单片机是整个系统的核心。STC2C5A60S2单片机和L298N模块进行电机控制。发动机转速表为电子式仪表, 运用单片机产生方波信号对其运行状态进行控制。各指示灯在接通电源的情况下为常亮状态, 用单片机控制让其闪烁。组合仪表检测系统电路图和硬件平台如图2和3所示。
组合仪表检测系统软件分为模拟部分的软件开发和检测系统的软件开发。根据汽车仪表的功能以及硬件结构, 将软件功能分为车速表模块、转速表模块、水温表模块、燃油表模块、指示灯模块。主程序相当于操作系统, 其主要功能是首先将软件的各个模块初始化, 然后进入扫描模式, 循环调用每个模块的功能。主程序流程图如图4。
转速表程序的主要功能是将外部传输过来的转速信号转换为仪表可以接收的信号。用C语言编写转速表程序。基于条件函数判断车速是否更新, 如果更新则调用车速表驱动函数。真实情况下转速是根据方波来计算和显示的, 本文设计了一个模拟方波的程序, 先初始化, 设置一个延时函数, 用电位计通过A/D转换来控制延时的时间, 再设置一个高低电平的转换。这样就通过调控延时达到改变周期的效果。在主单片机中设计一个定时器/计数器程序接受信号并将数值返还到显示程序中。同时车速表是将输入的车速信号转变为可控制直流电机的驱动信号来驱动的, 真实情况下转速是根据电机转速来计算和显示的, 本文设计了一个可控制电机转速的程序, 先初始化, 设置一个延时函数, 用电位计通过A/D转换来控制延时的时间, 在设置一个高低电平的转换。这样就通过调控延时达到改变占空比的效果, 从而控制车速表的运行。
3 组合仪表检测系统的测试
本文用程序实现测试功能, 由单片机发出控制脉冲信号和PWM信号。组合仪表的发动机转速表和L298N电机驱动电路进行信号接收。使用单片机模拟方波, 调节占空比, 将程序写于单片机后, 运用A/D转换控制频率, 使用if循环语句, 设计多个A/D接口, 并设置相应I/O接口, 将电位计接入电路。旋转电位计开关, 用示波器观察方波, 波形如图5所示。将产生的波形发送到组合仪表转速表中, 使转速表根据频率的变化而发生相应变化。将产生的波形发送到L298N电机驱动电路中, 使电机转速根据波型的变化而发生相应变化。占空比显示如图6所示。
水温信号及燃油信号的模拟都是利用变电阻来进行的, 所以用电位器来充当两个模块的可变电阻。根据捷达车型中两个模块可变电阻的阻值选取适当阻值的电位器与电源和仪表连接。仪表中的各种指示灯在与电源相接时处于常亮状态, 所以对单片机进行编程, 让其产生间断的电压信号从而达到指示灯的闪烁状态而进行指示灯信号的模拟。
4 结论
捷达组合仪表检测系统硬件设计简洁, 操作方便, 所需要的元器件应用广泛, 价格低廉, 软件结构设计合理, 易于二次开发。此系统对仪表生产厂家实用检测有推广作用, 对汽车生产厂家在生产过程中仪表方面有监测作用, 对相关汽车专业的教学和实践有指导作用。
摘要：汽车组合仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面, 是车辆安全行驶的重要保证。本文基于单片机对捷达汽车组合仪表进行检测系统设计。仪表检测系统主要由为整个系统提供稳定电源的专用电源芯片, 负责模拟仪表运行所需要的各电子信号, 并将信号发送到组合仪表上使仪表根据信号的指示运行的STC12C5A60S2单片机, 以及L298N电机驱动电路等元器件组成。软件基于Keiluv2进行开发, 采用C语言编程, 实现对组合仪表各部分工作的检测。
关键词：汽车组合仪表,单片机,L298N,检测
参考文献
[1]李涵武, 赵雨.汽车电器与电子技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2006.
[2]黄鹏.汽车单片机应用技术[M].北京:机械工业出版社, 2010.
[3]谭浩强.C程序设计 (第四版) [M].北京:清华大学出版设, 2010.
[4]王绍光, 夏群生, 李建秋.汽车电子学[M].北京:清华大学出版社, 2005.8.
实用的温度检测仪表设计 篇6
温度测量系统应用广泛,涉及各行各业的各个方面,因此温度测量仪表在各种不同的领域中都占有重要的位置。技术发展的日新月异,行业需求不断提高,电子、通信、计算机、传感器及传感器材技术的迅速发展,测量领域内对温度检测的要求也越来越高。科技发达的今天,对温度的测量与控制水平直接影响到人类的所有活动。从降低开发成本、扩大适用范围以及系统运行的稳定性、可靠性出发,文章设计了一款以Pt100铂热电阻为温度信号采集元件、以单片机为控制核心的温度测量仪表。在实际应用中,该系统运行稳定、可靠,电路设计简单实用。
1 温度测量原理
热电阻温度传感器中的铂热电阻Pt100是一种正温度系数的敏电阻,根据电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性,只要测量出热电阻的阻值变化,就可以测量出温度值。该元件以其精度高、性能稳定、互换性好、耐腐蚀及使用方便等优点,成为工业测控系统中广泛使用的一种比较理想的测温元件,而且经常被制成标准的基准仪表。它可以进行远距离电信号传输,但是需要电源激励,不能够瞬时测量温度的变化。铂热电阻的测温范围最大,为-200℃到850℃。可以用如下公式描述温度和电阻的关系:
其中:
RTDT为在温度T时候的RTD电阻值(Ω);
RTD0为在0℃时候RTD的电阻值(Ω),
T为RTD电阻的温度值(℃)。
目前热电阻的引线主要有三种方式:
二线制:在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫作二线制,如图1所示。这种引线方法比较简单,但由于连接导线必然存在引线电阻,引线电阻大小与导线的材质和长度因素有关,因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合。
三线制:在热电阻根部的一端连接一根引线,另一端连接两根引线的方式叫作三线制,如图2所示。这种引线方式通常与电桥配套使用,可以很好地消除引线电阻带来的影响,在工业过程控制中最常用。
四线制:在热电阻根部两端各连接两根引线的方式叫作四线制,如图3所示,其中两根引线为热电阻提供恒定的电流,把电阻转换成电压信号,再通过另外两根引线把电压引至二次仪表。因为连接线是对称的,可以大幅度的抑制包括热电偶效应的影响,但是要求提供精确的1m A电流。
2 测量范围的确定
在一般的测温仪器中,因为微处理单元的能力限制,尽量将测温设计在传感器的线性范围内。一般在0℃到100℃的范围内,根据经典的公开资料,温度可以近似表示为如下:
然而随着科技的突飞猛进,热电阻的应用领域不断扩大,经典的线性范围存在很大的局限性。也许前几个小时,你还在温暖的海南岛,而几个小时后,就已在严寒的东北。据记载的历史天气记录,在我国,最冷的温度记录为1962年2月13日的-52.3℃,而最高温为吐鲁番2006年8月1日的47.7℃。生活中的沸水为100℃,极端低温并不常常低过-50℃。市场上,一般电子元件的可操作温度范围为-40℃。所以,从实用角度出发,我们将测温范围定为-40℃到150℃。如果用如上的公式,绘制在如图4所示的曲线图中。可以看到误差在绝大多数场合仍旧可以达到0.5%的精度。但是,这个误差带有些往上偏。
根据曲线分析,温度在-40℃到150℃的范围内时,R∈(84.270 652 03Ω,157.340 9Ω);δ=ΔR∈(-0.157 29,0.573 409)误差已经远远的大于5%的范围,对于电桥的输出为电压源S的电压,不可以再作线性近似。另外一个考虑的因素是,δ有负值,这在后续的信号处理上,要么加入参考信号,将信号变到正实数的范围,要么提供正负电源,以便在正负信号的情况下都能处理。这些都将加大设计的复杂程度。
如果将测量范围扩大,在整个测温范围内,误差可能更大。如图5所示,如果还用0℃到100℃的线性近似,在高温端,可能有10%的误差;在低温端,则可能会有将近25%的误差。在极端温度下,测温仪器还有更多因素需要考虑,在大的温度范围内,热电偶效应也不容忽略。文章从实用出发,不要求仪表的测量范围覆盖全温度,重点探索如何提高温度测量的精度,同时也能方便微处理器的实现,从而设计一款实用的温度测量仪表。
3 测量电路的设计
根据设计的温度测量范围,硬件上采用四线制的铂热电阻连接方式,这样可以有效地避开电桥的非直线型输出函数,同时也不用考虑负的输出信号的问题。设计中只需要考虑铂热电阻本身特性曲线的校正问题和激励电流的问题,如图6所示。
为了能使微处理器更好地实现温度测量数据的转换,对测量数据进行线性近似,同时为了满足精度,可以将测量范围分成多线段来满足要求。从而设计问题就转化为:给定误差,在实验数据拟合公式及误差带中,以合适的分段,进行线性近似。
研究公式(1)、(2)的二阶导数:
可以验证此二阶导数均是负数,所以原实验数据的拟合曲线在整个定义域内是凸的,如图7所示。
而且,在高温区相对来讲是最平缓的,可以指导设计方案在给定误差δ时,沿着误差带的高温端搜索。如图8所示,曲线只是示例,并不代表热电阻曲线。从开始构造直线,为了满足给定误差带的要求,因为曲线是凸的,所以指定与误差下限曲线相切,假设在此步骤中切于p1,p1处的斜率与直线相同,由公式(1)和(2)容易得到p1导数方程。这样由线段方程和导数方程求解可得p1点坐标,同时也定下了(t1,Res1)就是第二个端点坐标,迭代这个过程,找出所有点。实际求解时,要解方程,不是太方便,也并不高效。
再深入研究,先在上限曲线上定(t0,Res0),然后在下限曲线上,横坐标t0处向左扫描,设变量为点p,那么下限曲线在p点的斜率同样根据导数方程求得,而p点到(t0,Res0)的线段的斜率也容易求得,当这两个斜率误差小到一定程度,可以认为是相同的,那么也就求得了p1点。将变量改回到上限曲线上,继续扫描,比较动点p与切点p1构成的向量,与切点p1处的导数所指方向的差异,可以得到(t1,Res1)。这里有个扫描精度的问题,也许上一个温度点,两个斜率的误差为正,下一个温度点就为负。这样,有可能在斜率误差范围内,获得的点可能使线段上有的点位于下限曲线的下方。设计中应该要求宁可不切到下限曲线,也不可超出,从而在设计上避免引入设计误差。对于上限曲线上的扫描也是同样的要求。实际计算时,将二维的连线认为是z=0的三维向量,那么向量的叉乘的z方向可以表明两平面向量的夹角。在符号改变前,也就是设计中要找到符合要求的p1点与(t1,Res1)点。
这样,严格地在误差带内迭代这个过程,可以方便地求得给定温度区间(tl,th),误差为δ的所有近似线段端点序列。据此,可以通过编写一个工具软件来帮助完成这个过程。利用检查误差按钮,生成误差数据,使用Excel生成图形,如图9所示,可见误差很好地控制在±0.01%的范围内。
在测量电路满足精度要求的情况下,主控电路如图10所示,温度信号检测通过RTD温度传感器来检测,信号送到单片机进行处理,采用LCD液晶显示温度数据。
4 结语
文章所提出的实用的温度检测仪表设计,通过完善测温电路,达到测量的精度和广度。应用单片机进行数据处理,后续还可以通过把软件系统功能模块划分成多个任务,开发出相应的应用程序,使得软件编程结构清晰明了,升级可维护性好,系统实时性和可靠性有保证,温度智能仪表性价比高,能够实现系统、稳定、可靠地工作,达到减少开发风险、降低总成本和缩短上市周期的目的。为设计一款实用的温度检测仪表提供了一种新的思路。
摘要：文章描述了一种实用的温度检测仪表设计,此仪表包括模拟信号前端输入检测,发送到上位机以便后继处理。采用铂热电阻Pt100传感器进行由温度到电量的转换,该信号输入单片机处理后由液晶显示器显示测量温度。实测结果表明,系统可靠性、测试精度及温度趋势曲线绘制均达到设计要求。
关键词：Pt100,铂热电阻,单片机,温度测量仪表
参考文献
[1]张元良,修伟,郎庆阳.石油产品检测中Pt100温度传感器动补偿研究[J].大连理工大学学报,2010(3):351-355.
单相电力仪表的设计及应用 篇7
PIC系列单片机是美国微芯科技公司的产品。其CPU采用RISC结构, 具有Harvard双总线, 运行速度快, 低功耗, 输出能力强, 保密性好等特点。PIC18F46K22是其8位单片机中的高端产品, 具有32K ROM, 4K RAM, 16MIPS速度, 功能丰富且性价比高, 所以选择其作为控制单片机。
CS5463是一个包含两个ΔΣ模-数转换器、功率计算器、电能到频率转换器和一个串行接口的完整的电能测量芯片。它可以精确测量瞬时电压、电流和计算IRMS、VRMS、瞬时功率、有功功率、无功功率、电能, 常用于研制开发单相电表。因此选择其作为电能测量芯片。
2.接口电路设计
■2.1信号检测电路的设计
(1) 电压检测电路设计
电压检测采用电阻分压的形式, 通过4只620KΩ的大电阻和2个390Ω电阻串联对交流电进行分压, 在2个390Ω电阻的连接点接地, 得到对称于地电位的一对正负电压VIN+和VIN-, 幅值约0.1V, 即如果VIN+=+50m V, 则VIN-=-50m V。再分别通过双向二极管钳位 (防止过压等损坏芯片) , 阻容滤波后, 送至测量芯片的电压差分输入端VIN+和VIN-。CS5463的差分输入端能够识别这样低于0V的信号, 这与普通AD芯片区别是比较大的。
(2) 电流检测电路的设计
在电流检测中使用了电流互感器, 能够隔离电网强电信号, 使用采样电阻和滤波电路实现信号转换。电流互感器将大电流5A转换为2.5m A, 在51Ω采样电阻上得到约0.1V的电压信号, 再通过2个1KΩ电阻串联对采样信号进行分压, 在2个1KΩ电阻的连接点接地, 得到对称于地电位的一对正负电压I IN+和I IN-, 再分别通过双向二极管钳位, 阻容滤波后, 将信号送至测量芯片的电流差分输入端。
■2.2信号测量电路的设计
CS5463内部集成度高, 外围电路简洁, 只需外接一个4.096MHz晶振即可工作, 其余的计算等工作都由其内部的DSP自动完成, 用户只需将相关通信引脚连接至单片机, 对单片机编程即可。
芯片的VIN+和VIN-为电压信号输入, I IN+和I IN-为电流信号输入, 将上述引脚分别接电压、电流检测电路。
芯片的SCLK为时钟信号, SDO为数据输出, SDI为数据输入, CS为片选, RESET为复位脚, E1为有功电能脉冲输出, E3为无功电能脉冲输出, 将上述引脚接单片机的IO引脚即可。最后将VA+和VD+都接电源VCC。
■2.3电源电路设计
本系统提供两路+5V电源输出, 即VCC、GND和+5V、AGND。
电源芯片采用TNY266P, 是一款10W高效小功率隔离式开关电源IC, 同时应用线性光耦PC817和可调精密并联稳压器TL431, 组成典型的单端反激式电源电路。输出的第一组VCC、GND (主电源) 受并联的TL431和PC817控制, 电压稳定性是没有问题的, 但由于还需要另一组隔离的电源用于通讯 (小功率) , 于是在变压器上另增加一个独立绕组, 但由于其是完全独立隔离的, 所以其电压稳定性是不好的, 于是提高其输出电压, 使其正常情况下输出为18V左右, 通过78L05稳压后得到+5V、AGND, 用于通讯隔离。
■2.4485通信电路设计
通讯部分采用MAX485芯片、高速光耦HCPL0601等组成。由于采用双绞线作为通信线路, 所以通讯方式为半双工, 即不能同时发送和接收。所以将485芯片的发送控制端DE和接收控制端接到一起, 通过光耦隔离, 高电平时发送, 低电平时接收。同时发送数据TX、接收数据RX也都通过光耦隔离。再加上电源取自+5V、AGND, 从而使整个通讯系统与单片机系统是电气隔离的, 具有较高的抗干扰能力。
■2.54-20m A模拟量输出电路设计
采用DA芯片MCP4725, 运放LM258, 光耦LTV356, 电源模块B0515等组成。单片机引脚模拟出DA芯片所需的SCL和SDA信号通过光耦隔离输出, DA芯片输出的信号连接至由运放和三极管组成的恒流源电路, 输出4-20m A模拟量信号。电源模块的输入为VCC、GND, 输出为+15V、SGND, 光耦的输出及后面的电路电源全部由+15V、SGND系统供电, 这样使得整个4-20m A模拟量输出电路也是与单片机系统电气隔离的, 提高了抗干扰性能。
■2.6其他电路设计
显示部分采用TM1721芯片, 驱动段位式液晶显示器。数字量DI输入采用光耦LTV356隔离。继电器输出采用三极管8050驱动, 5A继电器输出。
3.单相电力仪表的应用
多功能单相电力仪表是从模拟指针式仪表和电量变送器演变而来。能独立应用于高低压开关柜、交流盘、仪表控制盘、UPS等任何需要电量测量和显示的场合。目前已广泛应用于工业、建筑、民用供电系统和变电站中, 帮助用户节省投资和使用空间。
使用注意事项:
1、适合环境温度-25~70℃, 湿度85%以下使用。
2、注意防止震动和冲击。
3、不要在有灰尘, 对电器产品有害的化学药品, 煤气等地方使用。
4、在因磁场或高频仪器, 高压火花, 闪电等原因引起电压异常时, 在外部请使用电源滤波器或非线性电阻等干扰吸收电路。
5、输入信号线应尽量的短, 通常情况下, 建议使用双绞线或屏蔽线。
摘要：本文论述了一种含有参数采集、处理以及控制等多功能于一体的新型电力仪表。整体上采用MCU+专用电能测量芯片为架构, 可以实现对电力系统参数的精确测量, 主要功能包括测量电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、频率、有功电能、无功电能、负载性质等。硬件上采用隔离及抗干扰措施, 系统能够在高干扰的电力系统环境下准确、稳定的运行。并配置有网络通讯、数字量输入、模拟量输出、继电器输出等功能, 使得其真正具备了遥测、遥控与遥调的能力。
关键词：参数采集,单片机,CS5463,电力仪表
参考文献
[1]陈志忠, 徐月华.计量芯片ADE7758在三相多功能网络电能表中的应用[J].自动化与信息工程.2010 (01)
浅谈本安仪表系统的设计 篇8
关键词：本安防爆,本安仪表,安全栅,参量认证,设计,选型,回路电阻,配线
0 引言
在炼油、化工、石化等行业,经常具有爆炸危险性环境,其生产过程的测量与控制设备必须采取合适的防爆措施。自控仪表设备采用的防爆技术主要有:本安(Exi)、隔爆(Exd)、增安(Exe)、正压(Exp)、浇封(Exm)型等。在众多的防爆技术中,本安防爆技术具有成本低、体积小、重量轻、允许在线测试和带电维护等优点,它是目前唯一适用于0区的技术,因而广泛地应用于过程控制领域。由于本安防爆实质上是系统防爆,其防爆性能不仅与现场本安仪表有关,还与关联设备(安全栅)有关,而且也与系统的电气连接有关。为此,本文结合笔者多年工程设计的经验,就本安仪表系统的设计进行概要介绍。
1 本安仪表系统的构成
本安仪表系统由本安仪表、安全栅及二者之间的连接电缆组成,如图1所示。
2.1 本安仪表
在国家标准所规定的正常工作和故障条件下,产生的任何电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电气仪表。这类仪表需要国家指定的权威机构进行认证,才可以应用在爆炸危险场所。典型产品有变送器、电磁阀、转换器、接近开关等。
除此之外,既不会产生、也不会存储超过1.2V,0.1A,25mW和20μJ的电气仪表认定为简单仪表。这类仪表不需要认证,只要与合格的安全栅配合,就可以应用在爆炸危险场所。主要包括简单触点、热电偶、RTD、LED和电阻性元件等。
2.2 安全栅
安全栅作为本安仪表的关联设备,安装在安全场所,连接本安仪表与非本安仪表,限制到达危险场所中本安仪表的能量在安全值之内。它是本安防爆系统的重要设备,必需经过强制检定合格,方能使用。
2.3 连接电缆
连接电缆存在分布电容和分布电感,在正常的信号传输过程贮存的能量,或受到外界电磁干扰及与其他回路混触产生感应电动势,必对本安系统的防爆性能造成影响。因此,本安系统的连接电缆的分布电容和分布电感必须加以限制。
3 安全栅简介
在本安仪表系统中,安全栅起到限制流入到现场仪表的能量的作用,是系统设计和使用中的关键设备。常用的安全栅主要有齐纳式安全栅和隔离式安全栅两种。图2、图3所示分别为基本的齐纳式安全栅和隔离式安全栅原理图。
3.1 齐纳式安全栅
采用在电气回路中串联快速熔断丝、限流电阻和并联限压齐纳二极管实现能量的限制,并通过可靠接地来保证危险区仪表的安全性能。
由于齐纳式安全栅采用器件非常少、体积小、价格低,曾有过广泛应用。但正是因为它的简单,自身原理上存在不少的缺陷:
(1)必须要有专门的本安接地系统,且接地电阻严格要求≤1Ψ;
(2)对供电电源要求高,电源电压的波动可能会引起齐纳二极管的电流泄漏,从而引起信号的误差,严重时会使快速保险丝烧断而永久损坏(可更换保险丝型除外);
(3)信号有严格的极性要求,根据不同的应用,分别选用正极性、负极性、交流极性;
(4)现场本安仪表必须为隔离型的,非隔离型的仪表不能采用;
(5)信号的一极要接至本安地,大大降低仪表系统抗干扰能力,影响系统的可靠性。
因此,齐纳式安全栅应用范围受到较大的限制特别是DCS广泛使用以后,对仪表信号的隔离要求较高,这类安全栅使用的越来越少。
3.2 隔离式安全栅
隔离式安全栅是通过隔离、限压、限流等措施来限制流入危险场所的能量,从而保证本质安全性能主要由回路限能单元、信号、电源隔离单元和信号处理单元组成。
隔离式安全栅与齐纳式安全栅相比,虽然线路复杂,价格较高,但它许多优点:
(1)现场回路信号和安全区回路信号有效隔离,隔离式本安仪表系统不需要专门的本安接地,工程施工方便;
(2)输入、输出、电源三隔离型,大大增强了检测和控制回路的抗干扰能力,提高系统可靠性;
(3)现场仪表信号回路可以接地,也可以是非隔离型的,应用范围广;
(4)保护功能完善,意外损坏的可能性较小,允许现场仪表带电检修,这样可缩短工程开车准备时间和减少停车时间;
(5)有较强的信号处理能力,不同类型的输入可以变换成统一的标准信号输出,给现场仪表和控制系统的应用提供了更大的方便;
(6)能扩大检测和控制回路的带负载能力。
(7)可选用一进多出的安全栅,灵活的把信号送至互相独立的多个系统,避免系统之间互相影响。
(8)供电方式灵活,可以选用回路供电,也可以选用外供电,满足不同用户需要。
鉴于以上特点,目前工程设计中越来越多地选用隔离式安全栅。
4 本安系统工程设计
本安防爆是系统防爆。以前我国的本安仪表与安全栅是采用“系统认证”的方式来规定其使用,未经过系统认证的本安仪表与安全栅不允许配套使用。自从2001年6月实施GB3836.4-2000《爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型“i”》以后,已经采纳了“参量认证”方式,使得安全栅的选择范围更广,应用更加灵活。为保证设备的安全正常使用,本安系统的本安仪表、安全栅、连接电缆的参数必须满足以下条件:
其中:Uo、Io、Po、Co、Lo分别为安全栅的最大输出电压、最大输出电流、最大输出功率、最大外部电容、最大外部电感
Ui、Ii、Pi、Ci、Li分别为本安仪表的最大输出电压、最大输出电流、最大输出功率、最大外部电容、最大外部电感
Cc、Lc分别为连接电缆的最大允许电容、最大允许电感。
4.1 现场本安仪表选型
现场仪表防爆系统类型设计主要是按照爆炸危险分区、爆炸性气体混合物的分级分组、仪表控制系统信号隔离要求、系统投资等方面进行。
工程设计中,一般由工艺、电气专业根据设备管道布置、工艺操作特点等把爆炸危险区域划分为0区、1区、2区。自控专业根据爆炸危险分区及生产过程中可能产生的爆炸性气体混合物的分级、分组情况,按照GB50058-1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》规定,选择合适的防爆仪表类型:
1区:本安ia、ib型(Ex ia,Ex ib)、隔爆型(Ex d)、正压型(Ex p);
2区:可用于1区的类型、增安型(Ex e)
从上可以看出,本安仪表的适用范围广,在爆炸危险0区,只有本安ia型可以使用。而且,有的仪表其隔爆型产品的防爆级别达不到要求,只能选用本安型产品。
通常,选用本安仪表的选型要注意以下问题:
(1)所选仪表是否按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求设计,并已被国家防爆检验机构认可;通常防爆仪表的认证机构是国家仪器仪表防爆监督检验站NEPSI。
(2)防爆标志规定的等级是否适用于所在危险场所的安全要求;
(3)本安电路是否接地或接地部分的本安电路是否与安全栅接口部分的电路加以有效隔离;
(4)信号传输是以何种方式进行;
(5)明确Ui、Ii、Pi、Ci、和Li参数;
(6)本安仪表的最低工作电压及回路正常工作电流。
值得一提的是,并非要不加区别的全部采用本安仪表系统。从现场仪表安装、维护和投资的角度考虑,采用本安仪表确有优势,但绝大多数工业现场的危险区域划分为1区或2区,应考虑整体仪表系统的性能和投资。比如,大部分电子仪表如变送器、流量计的本安型与隔爆型外壳实际上是一致的,其售价也相同,但本安型要增加安全栅,选用隔爆型仪表反而能节省投资。
即使在同一个装置内,考虑节省投资或是因为部分其它仪表无本安型产品,仪表系统常常采用混合防爆系统。如变送器采用本安型、热电阻热电偶采用隔爆型、电磁流量计隔爆浇注本安混合型,同样能满足规范要求。
4.2 安全栅的选用
(1)选用安全栅必须要遵守以下原则:
a.安全栅的防爆等级必须不低于现场本安仪表的防爆等级。
b.安全栅的本安端认证参数能够满足Uo≤Ui Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc的要求。
注意,安全栅的最大负载参数Co、Lo是其防爆级别对应的参数,当实际使用现场仪表的防爆级别较低时,安全栅的最大负载参数可以按照现场仪表的防爆级别来计算。
(2)应根据现场仪表的情况、检测控制系统的要求、投资情况、用户的维护能力等因素,确定选用隔离式安全栅还是齐纳式安全栅。
(3)按照DCS或二次仪表的要求,确定采用回路供电或是独立供电。
(4)选用隔离式安全栅时,处理后的模拟信号传输采用1~5V电压还是4~20mA电流、开关量信号是采用干接点还是有源接点等,以便于减少模块类型。
(5)选用齐纳式安全栅时,应根据控制室仪表的对现场的供电电压确定安全栅的最高工作电压,检查控制室仪表可能存在或产生的最高电压,确定安全栅最高允许电压。
(6)选用齐纳式安全栅,应根据现场仪表的信号、电源对地的极性,确定安全栅的极性;一般同一装置内尽量选用同极性或交流极性的安全栅,否则容易引起配电和接地的混乱。
(7)根据现场本安仪表的最低工作电压和回路正常工作电流,确定齐纳安全栅的端电阻及回路电阻。回路阻抗不匹配,可能导致回路不能正常工作,应引起重视。
a.安全栅端电阻:若端电阻较大,在现场仪表最大正常工作电流附近,可能由于压降太大,而使现场仪表供电不足,系统无法正常工作;但若端电阻较小,则安全栅Io较大,可能使Io≥Ii,从而不满足安全性能。
b.回路电阻:安全栅的两个端电阻之和Ri加上控制室仪表的转换电阻Rc。一般来说,控制室仪表转换电阻是固定的,只有通过选择安全栅的端电阻来实现阻抗匹配。
c.端电阻Ri的确定:Umax/Ii≤Ri+Rc≤(Us-Vmin)/Imax
Us:安全栅正常供电电压;
Umax:安全栅最高供电电压;
Vmin:现场仪表最小工作电压;
Imax:现场仪表最大工作电流。
如某变送器的最小工作电压为10.5V,最大工作电流为23mA,最大输入电流为100mA,二次仪表的转换电阻为250Ψ,安全栅的供电电压为24V,最高工作电压是26.4V则安全栅的端电阻必须满足:14Ψ≤Ri≤337Ψ。
(8)确定回路供电的二次仪表或DCS卡件没有限流电阻,若有则改选电子限流的产品,否则可能影响现场仪表的正常工作。
(9)避免安全栅的漏电流影响本安现场设备的正常工作,尽量选用齐纳电压接近最高工作电压的产品。
(10)一台安全栅连接一个检测点,避免一个安全栅串入两个回路,同样,也要避免一个检测回路涉及两台安全栅。
4.3 连接电缆
用于本安系统中连接本安现场设备与安全栅的连接电缆,其分布参数在一定程度上决定了本安系统的合理性及使用范围,按规范规定:
(1)连接电缆为铜芯绞线,且每根芯线的截面积不小于0.5mm2,导线绝缘的耐压强度应为2倍额定电压,最低为500V。
(2)连接电缆的长度的确定:
a.根据Cc≥Co-Ci和Lc≤Lo-Li计算电缆的最大外部分布参数
b.按照L=Cc/Ck和L=Lc/Lk公式分别计算电缆长度,取两者中的小值作为实际配线长度L。(式中:Ck、Lk分别为电缆的单位长度电容、单位长度电感)。
按照设计规范,本安仪表系统的连接电缆宜采用本安电缆。这是因为非本安电缆的分布电感分布电容值较大的原因。只要非本安电缆能满足分布参数满足系统要求,同样是可以使用的。下表列出常用仪表电缆的典型分布参数,以备参考。
4.4 本安系统配线设计
本安系统配线相对于隔爆系统来说要求较低。规范对本安防爆系统的规定也不多,但配线是否规范,对防爆性能的影响不容忽视,主要注意如下:
(1)慎防本安回路与非本安回路混触。为此,本安回路与非本安回路不得共用一根电缆;本安电缆与非本安电缆不得共用一根保护管敷设;本安电缆与非本安电缆在同一个线槽内敷设时,中间应有金属隔板隔开;
(2)原则上本安电缆和非本安电缆不共用同一个现场接线盒。
(3)本安线路与非本安线路通过同一个控制柜与仪表线路连接时,本安电路采用专用的端子板,与其它电路之间的距离应大于50mm,必要时应采用绝缘隔板隔离。
(4)本安回路的连接电缆及其钢管、端子板应有蓝色标志或缠上蓝色胶带,以便识别。
(5)多个单元的本安回路采用同一根电缆时,应采用分组屏蔽的电缆,以防各单元之间的电磁干扰。
(6)桥架外的非铠装和无屏蔽电缆应穿镀锌钢管敷设,以防机械损伤,并减小电磁干扰。
(7)本安电缆屏蔽层应该在安全侧接地,严禁两侧同时接地。
5 结语
随着本安防爆技术在我国石油、化工等危险产业中的广泛应用,本安防爆系统已得到普遍重视。自控设计人员应该从爆炸危险性环境入手,了解现场的情况,严格按照有关规范的要求,认真选择好防爆仪表和安全栅,作好系统配线设计,以保证本安防爆系统正常工作,确保生产现场设备和人身安全。
参考文献
[1]徐建平.仪表本安防爆技术.机械工业出版社,2002,1.
[2]GB50058-1992.爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范.