ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ТУРБИННОГО ДАТЧИКА РАСХОДА.
Выполнил студент I курса группы ПР 200100 (сокр.)
Коваль Александр Дмитриевич.
Булавин Дмитрий Игоревич
1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.
2.1. Датчик объемного расхода представляет собой совокупность двух узлов: турбинки, устанавливаемой в трубопровод и магнитного узла, установленного на внешней поверхности трубопровода. Поток жидкости приводит турбинку во вращение так, что частота ее вращения в первом приближении пропорциональна объемному расходу жидкости. Магнитный узел состоит из постоянного магнита, вокруг которого намотана катушка. При вращении турбинки ее лопасти искажают форму магнитного поля постоянного магнита, а изменение магнитного потока приводит к появлению индуцированной э д с в катушке. По форме сигнал близок к синусоидальному, а по частоте равен произведению числа лопастей на число оборотов ротора в секунду. Амплитуда выходного сигнала пропорциональна частоте вращения ротора и, как следствие, при малых расходах мала амплитуда выходного сигнала. Воздействие на магнитный узел внешних паразитных электромагнитных полей, гидродинамические возмущения турбинки, разброс геометрических параметров лопастей и другие факторы приводят к тому, что уровень помех в выходном сигнале при малых расходах достигает 20%.
Задачей преобразователя является формирование прямоугольных импульсов постоянной амплитуды из выходного сигнала датчика при условии малого отношения сигнал/помеха.
2.2. Технические требования к преобразователю следующие:
- Преобразователь должен формировать выходной сигнал в виде прямоугольных импульсов их входного синусоподобного сигнала турбинного датчика объемного расхода.
- Амплитуда входного сигнала – от 30 до 200 мВ.
- Соотношение сигнал/ помеха при малых амплитудах – не более 3.
- Полоса частот входного сигнала – от 20 до 400Гц.
- Внутреннее сопротивление обмотки датчика – 7 кОм.
- Допустимо увеличение порога срабатывания преобразователя с ростом частоты входного сигнала пропорционально увеличению амплитуды входного сигнала.
- Выходной сигнал преобразователя – прямоугольные импульсы положительной полярности амплитудой 9В с крутизной переднего фронта не более 10 мкс на нагрузке RН = 100 кОм, СН = 2000 пФ.
2.3. При разработке схемы преобразователя необходимо обеспечить его помехоустойчивость, согласование входного сопротивления с выходным сопротивлением датчика и формирование выходных прямоугольных импульсов. Рекомендуемая схема преобразователя изображена на рис. 1 (студент вправе использовать любую другую). На схеме не показаны линии питания микросхем.
На операционном усилителе А1 собран формирователь прямоугольных импульсов с фиксированным порогом. Расчет его сводится к выбору сопротивления R3 (обычно это сопротивление от 100 кОм до 1 МОм) и расчету сопротивления R2 по формуле:
где UПОР – выбранное значение напряжения порога срабатывания формирователя импульсов; UП – амплитудное значение импульсов на выходе микросхемы А1 (можно принять ± 9В). Сопротивление R4 – внутренняя нагрузка преобразователя порядка 100 кОм.
Назначение второго операционного усилителя А2 и диода А3 – формирование выходного сигнала положительной полярности и усиление его по мощности.
R3 выбрали 900кОм.
 |
Рис.1. Принципиальная схема преобразователя
2.4. Расчет схемы преобразователя ведется в следующей последовательности.
2.4.1. Второй каскад преобразователя (на операционном усилителе А2) не требует расчета, поскольку является повторителем положительной части входного напряжения (отрицательная часть отсекается диодом А3). Единственное условие для нормальной работы каскада – напряжение по форме и амплитуде положительной части входного сигнала должно соответствовать заданным требованиям к выходному сигналу преобразователя.
2.4.2. В первом каскаде определяются значения сопротивлений R2 и R3, задающих порог срабатывания каскада. По заданию (см. п. 2.2) минимальный уровень полезного сигнала равен 30 мВ, а соотношение сигнал/помеха при таком сигнале равен 3, следовательно амплитуда помех не превышает 10мВ. Значит, порог срабатывания первого каскада не должен быть ниже 10мВ и не может быть выше амплитуды полезного сигнала (30мВ). Логично принять напряжение порога UПОР = 20мВ. Далее, задаваясь величиной сопротивления R3, рассчитывают сопротивление R2 как это указано в п. 2.3.
2.4.3. Значение сопротивления R1 выбирается из соображения согласования внутреннего сопротивления генераторного датчика с последующим преобразователем; при указанном значении внутреннего сопротивления датчика целесообразно принять R1=10кОм.
2. ПОДГОТОВКА К ПРОВЕДЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
3.1. Выбрать принципиальную схему преобразователя, рассчитать его элементы. Операционные усилители использовать типов КР574УД1 или КР140УД8. Цоколевка указанных микросхем одинакова и имеет следующий вид:
| № вывода | ||||||||
| Назначение | Баланс | Инвертир. вход | Неинвертир. вход | -UПИТ | Баланс | Выход | +UПИТ | Не использ. |
3.2. Принципиальную схему преобразователя и выполненный расчет представить преподавателю на проверку.
3.3. Изучить порядок применения контрольно - измерительных приборов по их описаниям. Собрать схему для проведения экспериментов по рис. 2. На схеме приборы обозначены: З.Г. – звуковой генератор; V – вольтметр; O – осциллограф. Стрелки у вольтметра и осциллографа на схеме показывают места подключения приборов на входе и выходе преобразователя.
 |
Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки
3.4. Назначение элементов во входной и выходной цепях:
- R1 является имитатором внутреннего сопротивления датчика и его номинал должен приближаться к указанному в п. 2.2 номиналу сопротивления датчика; входная емкость линии связи имитируется емкостью 2000 пФ.
- RН и СН имитируют соответственно сопротивление и емкость нагрузки преобразователя.
3. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
3.1. Смонтировать схемы преобразователя и экспериментальной установки. Представить собранные схемы на проверку преподавателю или лаборанту. С их разрешения включить контрольно – измерительные приборы и прогреть их в течение 15 – 20 минут.
3.2.Подключить питание к макету преобразователя в следующем порядке: сначала подключается нулевой провод и к этой же клемме присоединяется заземляющий провод (для обеспечения общего нулевого потенциала с контрольно – измерительными приборами), а затем подключаются провода питания микросхем (+UП и –UП).
3.3.По показаниям осциллографа убедиться, что положительное и отрицательное напряжения величиной порядка 9В поступают на микросхемы макета. В случае отсутствия напряжений на соответствующих шинах макета, проверить их наличие на входных клеммах. Наличие напряжений на входных клеммах означает, что неверно выбрана полярность питающих напряжений. В этом случае необходимо поменять местами провода, подводящие питающие напряжения. В случае отсутствия питающих напряжений на входных клеммах необходимо остановить все работы и обратиться к преподавателю или лаборанту.
3.4.Определение порога срабатывания преобразователя
3.4.1. Установить на звуковом генераторе частоту выходного сигнала равной 20Гц; амплитуду выходного сигнала порядка 30 мВ по показанию осциллографа или вольтметра. При измерении входного сигнала вольтметром необходимо учитывать, что он показывает действующее значение напряжения, которое в 1,41 раза меньше амплитудного.
3.4.2. Подключить осциллограф к выходу преобразователя. Проверить наличие на выходе преобразователя импульсов с частотой следования входного сигнала. Если импульсы отсутствуют необходимо повысить частоту входного сигнала до 100 Гц, амплитуду до 100 мВ и вновь проверить наличие импульсов на выходе схемы. Если появятся импульсы с частотой входного сигнала, то необходимо проверить правильность расчета и реальные номиналы сопротивлений R2 и R3 преобразователя. Если импульсы не появятся - необходимо проверить работоспособность и правильность монтажа элементов схем. После наладки схем возвратить сигнал звукового генератора к частоте 20 Гц и амплитуде 30 мВ.
3.4.3. Контролируя сигнал на выходе преобразователя по осциллографу, уменьшать амплитуду входного сигнала до тех пор, пока не появятся провалы в последовательности выходных импульсов. После этого плавно увеличивая амплитуду входного сигнала, добиться восстановления периодичности выходных импульсов. Замеренная амплитуда входного сигнала будет являться порогом срабатывания на частоте 20 Гц.
3.5.Определение частотной зависимости порога срабатывания преобразователя
3.5.1. Устанавливая последовательно на звуковом генераторе частоты сигналов 100; 200; 300; 400 Гц, повторить операции п. 3.4.
| Гц | ||||
| мВ |
3.5.2. Построить график зависимости порога срабатывания преобразователя от частоты входного сигнала.
Рис. 3.
3.6.Определение крутизны выходных импульсов
3.6.1. Установить на генераторе частоту выходного сигнала равную 400 Гц и амплитуду выше порога срабатывания. По осциллографу оценить крутизну переднего фронта выходных импульсов.
3.6.2. Параллельно сопротивлению R3 преобразователя подключить конденсатор емкостью 70 – 120 пФ и повторить операции п. 4.6.1.
Определение крутизны выходных импульсов не удалось, так как невозможно установить синхронизацию.
