Проектування перетворювача індуктивності в напругу 
Проектування перетворювача індуктивності в напругу
2 Міністерство освіти і науки України Вінницькій національний технічний університет Інститут автоматики електроніки та комп'ютерних систем управління Факультет автоматики і комп'ютерних систем управління Кафедра метрології і промислової автоматики Проектування перетворювача індуктивності в напругу Пояснювальна записка з дисципліни ” Основи електроніки ” до курсового проекту за спеціальністю 6.097302 “Метрологія та вимірювальна техніка” 08 - 03.КП.017.00.000ПЗ Керівник курсового проекту к.т.н., доцент. Дрючин О.О. _________________________ ”___” ____________200_ р. Розробила студент гр. 1АМ-05 _________Побережна І.Л. ”___” ____________200_ р. Вінниця ВНТУ 2007 Зміст Вступ 1. Розробка технічного завдання 2. Розробка структурної схеми 2.1 Аналіз існуючи методів вимірювання індуктивності 2.2 Розробка структурної схеми перетворювача 2.3 Попередній розрахунок АМВ 2.4 Попередній розрахунок первинного перетворювача 2.5 Попередній розрахунок підсилювача потужності 2.6 Попередній розрахунок підсилювача напруги 2.7 Розробка детальної структури схеми 3. Електричні розрахунки 3.1 Електричний розрахунок підсилювача потужності 3.2 Розрахунок підсилювача напруги 3.3 Розрахунок підсилювача на ОП 3.4 Електричний розрахунок первинного перетворювача 3.5 Електричний розрахунок перетворювача 3.6 Визначення похибки 4. Моделювання одного з вузлів Висновки Список літератури Додаток Перелік елементів Анотація У даному курсовому проекті було розроблено та реалізовано перетворювач індуктивності в напругу. Цей перетворювач здатен перетворювати індуктивність у межах 1мкГн...1мГн у напругу від 0 до 30В. Максимальна напруга вихідного сигналу не перевищує 30В на опорі 5Ом. Перетворювач забезпечує високу точність, тобто похибка складає менше 1%. Вступ Останні десятиліття обумовлені широким впровадженням у галузі народного господарства засобів мікроелектроніки й обчислюваної техніки, обмін інформацією з якими забезпечується лінійними аналоговими і цифровими перетворювачами(АЦП і ЦАП). Сучасний етап характеризується великими та дуже великими інтегральними схемами ЦАП і АЦП, що володіють високими експлуатаційними параметрами: швидкодією, малими похибками, багатозарядністю. Включення БІС єдиним, функціонально закінченим блоком сильно спростило впровадження їх у прилади та установки, що використовуються як у наукових дослідженнях, так і в промисловості і дало можливість швидкого обміну інформацією між аналоговими та цифровими пристроями. Техніка конструювання і застосування датчиків, або , як її можна коротко назвати, сенсорника, за останні роки розвилася в самостійну галузь вимірювальної техніки. З ростом автоматизації до датчиків фізичних параметрів стали пред'являтися усе більш високі вимоги. При цьому особливе значення надається наступним показникам: - мініатюрність (можливість вбудовування); - дешевина (серійне виробництво); - механічна міцність. По структурній побудові автоматизовані пристрої нагадують такі біологічні системи, як, наприклад, людина. Органам почуттів людини відповідають в автоматах (чи роботах) датчики, а функції активних органів виконуються виконавчими пристроями. Аналогом мозку як центрального пристрою для обробки сигналів служить ЕОМ з її системою пам'яті. Поняттям «датчик» у загальному випадку позначають дешевий, але надійний приймач і перетворювач вимірюваної величини, що володіє помірною точністю і придатний для серійного виготовлення. Пристрої, у яких електромагнітне поле створюється прикладеною напругою, складають групу індуктивних перетворювачів. Основним елементом у цих перетворювачах є змінна індуктивність, що змінюється вхідним вимірювальним параметром. При застосуванні індуктивного перетворювача інформативним параметром є його індуктивність Lх. Як вимірювальні ланцюги в індуктивних перетворювачах застосовуються дільники напруги, мостові схеми, коливальні контури й автогенератори. Оскільки сигнали, що знімаються з індуктивних перетворювачів, малі, то вимірювальні ланцюги містять підсилювачі. 1. Розробка технічного завдання Метою курсового проекту є розрахунок та визначення технічних параметрів схеми перетворювача індуктивність-напруга. Заданий діапазон індуктивностей складає від 1мкГн до 1мГн, значення максимальної вихідної напруги дорівнює 30В, значення опору навантаження складає 5 Ом. Необхідно розрахувати значення кожного з елементів схеми перетворювача індуктивність-напруга та згідно розрахункам вибрати необхідні операційні підсилювачі, транзистори та діоди. При проектуванні індуктивних перетворювачів варто звертати увагу на екранування проводів, вибір ізоляції, усунення поверхневого опору ізоляції і вибір частоти живлення. Чим вище ця частота, тим менше вихідний опір, тому нерідко частоту живлення вибирають велику (до декількох МГц). Конструктивні схеми індуктивних перетворювачів виконуються в різних варіантах у залежності від області застосування. Можливі області застосування індуктивних перетворювачів надзвичайно різноманітні, можна виділити лише окремі сфери: - промислова техніка виміру і регулювання; - робототехніка; - автомобілебудування; - побутова техніка; - медична техніка. Застосування того чи іншого датчика в цих сферах визначається насамперед відношенням ефективність. При промисловому застосуванні визначальним фактором є погрішність, що при регулюванні процесів повинна складати < 1%, а для задач контролю - 2...3%. Для спеціальних застосувань в області робототехніки і медичної техніки ціни датчиків можуть досягати навіть рівня 10...100 тис. Завдяки впровадженню нових технологій виготовлення (високо-вакуумне напилювання, розпилення, хімічне осадження з газової фази, фотолітографія і т.д.) і нових матеріалів безупинно розширюються сфери застосування датчиків, недоступні раніше через їхню високу ціну. Прилад повинний відтворювати вимірювані величини з погрішностями, що допускаються. При цьому слово «відтворення», еквівалентне в даному трактуванні слову «відображення», розуміється в самому широкому змісті: одержання на виході приладу величин, пропорційних вхідним величинам; формування заданих функцій від вхідних величин (квадратична і логарифмічна шкали й ін.); одержання похідних і інтегралів від вхідних величин; формування на виході слухових чи зорових образів, що відображають властивості вхідної інформації; формування керуючих сигналів, використовуваних для керування контролю; запам'ятовування і реєстрація вихідних сигналів. Вимірювальний сигнал, одержуваний від контрольованого об'єкта, передається у вимірювальний прилад у виді імпульсу або у виді енергії. Можна говорити про сигнали: первинних - безпосередньо характеризують контрольований процес; сприйманих чуттєвим елементом приладу; поданих у вимірюльну схему, і т.д. При передачі інформації від контрольованого об'єкта до покажчика приладу сигнали перетерплюють ряд змін за рівнем і спектром і перетворяться з одного виду енергії в іншій. Необхідність такого перетворення викликається тим, що первинні сигнали не завжди зручні для передачі, переробки, подальшого перетворення і відтворення. Наприклад, при вимірі температури приладом, чуттєвий елемент якого міститься в контрольоване середовище, сприйманий потік тепла важко передати, а тим більше відтворити на покажчику приладу. Цією особливістю володіють майже всі сигнали первинної інформації. Тому сприймані чуттєвими елементами сигнали майже завжди перетворяться в електричні сигнали, що є універсальними. Та частина приладу, у якій первинний сигнал перетвориться, наприклад, в електричний, називається первинним перетворювачем. Часто цей перетворювач сполучається з чуттєвим елементом. Сигнали з виходу первинного перетворювача надходять на наступні перетворювачі вимірювального приладу. У схемах з датчиками, включеними в системи, що стежать, з датчика знімається лише сигнал неузгодженості, що стає рівним нулю в сталому стані системи, що стежить. Основним недоліком цих схем є залежність значення вихідної величини від параметрів джерела живлення датчика, підсилювача й інших елементів схеми, а також від зовнішніх умов. Справді, варто змінитися напрузі чи частоті генератора, що живить датчик, як напруга, частота і фаза, що є вихідними величинами і, що знімаються з опору R, також зміняться. Від цих недоліків вільні схеми з індуктивними датчиками, включеними в замкнуту систему автоматичного регулювання. У цих схемах вихідною величиною є кут повороту осі двигуна, що відпрацьовує, чи іншої осі, зв'язаної з нею через редуктор. Однієї з основних характеристик такої системи є чутливість, що показує, при якім мінімальному відхиленні чуттєвого елемента система відпрацьовування приходить у дію. Зовнішні фактори - напруга живлення, температура навколишнього середовища і т.п. - впливають лише на чутливість системи; на точність системи вони можуть впливати лише в тій мірі, у якій вона зв'язана з чутливістю. У найпростішому випадку індуктивний датчик являє собою дві послідовно включені індуктивності, побудовані конструктивно таким чином, що при збільшенні однієї з них інша зменшується. Ці дві індуктивності можуть бути включені в мостову схему, де два інших плечі - реостатні. Якщо при цьому напруга, що знімається з діагоналі моста, використовувати як сигнал для системи, що стежить, що переміщає щітку потенціометра R убік зменшення неузгодженості, то завжди в сталому стані системи, що стежить, це напруга u=0. Згідно ДСТУ 2681-94 „Метрологія. Терміни та визначення” та ДСТУ 2682-94 „ Метрологія. Метрологічне забезпечення ” даний розроблений перетворювач індуктивність - напруга відноситься до первинних вимірювальних перетворювачів 2. Розробка структурної схеми 2.1 Аналіз існуючи методів вимірювання індуктивності Індуктивність -- фізична величина, яка характеризує магнітні властивості електричного ланцюга. Якщо в провідному контурі тече струм, струм створює магнітне поле. Величина магнітного потока, пронизуючий контур, зв'язана з величиною струму І в такий спосіб: Ц = LI (1) Коефіцієнт пропорційності L саме і називається індуктивністю (або, строго говорячи, коефіцієнтом самоіндукції контуру). Індуктивність залежить від розмірів і форми контуру, а також від магнітної проникливості навколишнього середовища. У системі одиниць СИ індуктивність виміряється в Генрі, у системі СГС у сантиметрах (1 Гн = 109 див) Через індуктивність виражається ЕРС самоіндукції у контурі, що виникає при зміні в ньому струму: . (2) При заданій силі струму індуктивність визначає енергію магнітного поля струму: (3) Практично ділянки ланцюга зі значною індуктивністю виконують у виді котушок індуктивності. Індуктивність L - величина, рівна відношенню потокощеплення, зв'язаного з контуром, до сили струму, що протікає по ньому: Індуктивність складається з внутрішньої індуктивності (жили кабелю і проводу) L в і зовнішньої, міжвіткової, індуктивності L і Одиниця індуктивності генрі (гн) - індуктивність контуру, з яким зчеплений магнітний потік 1 вб, коли по контурі тече струм 1 а, або індуктивність контуру, у якому виникає е.д. с. самоіндукції 1 у при зміні струму в ньому на 1 а в 1 сек. У якості перетворювача індуктивності у напругу використаємо мостову схему. Серед мостових схем найчастіше використовується міст Уітстона, схема якого подана на рисунку 1. Рисунок 1 - Принципова схема чотириплечого моста Уітстона Міст містить чотири опори Z1, Z2, Z3 і Z4. Точки a, b, c, d називаються вершинами моста. Електричне коло між двома суміжними вершинами називається плачем моста, а між двома протилежними - його діагоналлю. Індуктивність можна вимірювати за допомогою мостів різного типу. На рисунку 2, подано одну з таких схем. Вважаємо, що індуктивність має деякий активний опір (опір втрат). Міст зрівноважується за допомогою змінної зразкової індуктивності L3 і зразкового резистора R3 . Умова рівноваги цього моста , (6) звідки (7) Може бути запропонована й інша схема моста, в якій змінне плече має зразкову ємність, ввімкнену паралельно із зразковим резистором. Рисунок 2 - Схема моста для вимірювання індуктивності Оскільки на міст необхідно подати напругу, то для її генерації використаємо імпульсний генератор. Імпульсні генератори - призначені для одержання сигналів, форма яких суттєво відрізняється від синусоїдальної. Такі сигнали характеризуються наявністю ділянок з відносно повільною зміною амплітуди і її стрибковою зміною. Імпульсні генератори мають внутрішній або зовнішній позитивний зворотній зв'язок. Особливість роботи активних елементів: вони періодично, дуже швидко змінюють свій стан з одного крайнього положення в інше. Основні режими імпульсних генераторів: - автоколивальний - після збудження генерується послідовність імпульсів, характеристики яких визначаються лише параметрами елементів схеми; - очікування - генератори імпульсів відбуваються лише за наявності зовнішнього сигналу запуску; - синхронізації - частота вихідних імпульсів рівна чи кратна частоті зовнішнього синхронізуючого сигналу. Формувачі імпульсів - пристрої, які виробляють імпульси необхідної тривалості з інших імпульсів чи з перепаду напруг (фронта). Формувачі імпульсів бувають: - на логічних елементах; - з інтегруючим ланцюгом; - з емітер ним повторювачем; - на мікросхемах. Емітерний повторювач (рисунок 3) має найбільший вхідний опір і найменшого вихідне і використовується для посилення сигналу по струму, коефіцієнт підсилення по напрузі близький до одиниці. Однак це справедливо при досить низькому опорі джерела сигналу і на низькій частоті. При нескінченно великому опорі джерела сигналу перестає діяти 100% послідовна ООС по напрузі і вихідний опір прагнути до Rвих каскаду з загальним емітером, різко зростає коефіцієнт гармонік, що мінімальний при Rr=0. Rвх=Rб+(1+h21е)Rн (8) Rвих=Rе+(Rr+Rб)/(1+h21э) (9) де Rб - опір бази (1...20 Ом і більш); h21э - коефіцієнт передачі струму; Rэ=Fт/Iк(ма); Fт=25мв - температурний потенціал; Rr - вихідний опір джерела сигналу. На рисунку 3 зображено емітерний повторювач Рисунок 3 - Емітерний повторювач Вхідний опір різко зменшується у випадку коротких імпульсів і на високих частотах. На високих частотах вхідна ємність повторювача залежить, головним чином, від Сн і грубо може бути оцінена як Сн/h21е. Вихідний опір повторювача на високих частотах може мати індуктивний характер, тому при визначенні Сн емітерний повторювачі можуть давати коливальні перехідні процеси і навіть переходити в режим автогенерації.
Страницы: 1, 2
|
