Исследование преобразователя для потенциометрического датчика угла поворота

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

 

Выполнил студент I курса группы ПР 200100 (сокр.)

Курашов Александр Андреевич.

 

1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.

2.1 Датчик угла поворота представляет собой реостат (потенциометр), подвижный контакт которого (движок) крепится к поворотному валу, например, к валу дроссельного регулятора расхода. На реохорд потенциометра сопротивлением от 1,5 до 4,0 кОм подается постоянное напряжение, а с подвижного контакта снимается выходной сигнал. Обычно питание потенциометра равно нескольким вольтам, предпочтительно стандартному значению 5 В. Однако, если датчик применяется при измерениях во взрывоопасных условиях (нефтехимическом производстве или при испытаниях тепловых двигателей) из соображений взрывобезопасности питание реохорда выбирают порядка 40-50 мВ. Соответственно и выходной сигнал датчика находится в диапазоне 0 – 50 мВ. В последнем случае возникает необходимость усиления выходного сигнала датчика до стандартного диапазона 0 – 5В.

 

2.2. Технические требования к преобразователю следующие:

- Преобразование выходного сигнала потенциометрического датчика угла поворота дросселя расхода с сопротивлением реохорда 3,0кОм и напряжением питания 50 мВ.

- Преобразователь должен усиливать выходной сигнал датчика угла поворота до стандартного диапазона (0 - 5В).

- Полоса частот выходного сигнала – от 0 до 100Гц.

- Допустимая приведенная погрешность: погрешность нуля – 0,1%; погрешность чувствительности – 0,3%; неравномерность амплитудно – частотной характеристики – 1,5%.

2.3. При разработке схемы преобразователя необходимо обеспечить его максимально возможное входное сопротивление (не менее 3 МОм) с тем, чтобы оно существенно не изменяло величину выходного напряжения потенциометра. Рекомендуемая схема преобразователя изображена на рисунке (студент вправе использовать любую другую). На схеме не показаны линии питания микросхем.

Расчет сводится к выбору сопротивления R4 (обычно это сопротивление от 3,0 кОм до 10 кОм) и расчету двух других сопротивлений по формулам:

R4=3Ком

К= R6/ R4

R6/ R4=U_вых/U_вх

R6/ R4=5/0,05

R6/ R4=100

R6= R4*К

R6= 3*100

R6=300Ком

R5= R4* R6/ (R4+R6)

R5=3*300/(3+300)=3КОм

R1=300Ком; R2=500Ком; R3=3КОм

 

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 рисунку. 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. Принципиальная схема преобразователя и элементов для его исследования

 

3.4. Назначение элементов делителя во входной цепи:

- R3 является имитатором сопротивления датчика и его номинал должен приближаться к указанному в п. 2.2 номиналу сопротивления датчика;

- R2 ограничивает максимальное значение падения напряжения +U_П на сопротивлении R3 величиной, близкой к заданному в п. 2.2 верхнему пределу;

- R1 обеспечивает точную установку верхнего предела напряжения на сопротивлении R3.

 

3. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

4.1. Смонтировать схему преобразователя и экспериментальной установки. Представить собранную схему на проверку преподавателю или лаборанту. С их разрешения включить контрольно – измерительные приборы и прогреть их в течение 15 – 20 минут.

4.2 Подключить питание к макету преобразователя (питание на входной делитель сопротивлений R1 – R3 не подается) 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 (+U_П и –U_П).

4.3 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.

4.4 Определение статической функции преобразования

4.4.1 Движок потенциометра R3 установить в крайнее верхнее положение. 4.6 Вольтметром замерить выходное напряжение преобразователя U₀ (величина его не должна превышать десятков мВ).

4.4.2Входной делитель подключить к шине -U_П, а вольтметр ко входу преобразователя. Потенциометром R1 добиться того, чтобы в верхнем положении движка потенциометра R3 напряжение на входе в преобразователь составляло 50 мВ.

Устанавливая последовательно движком потенциометра R3 напряжения 10; 20; 30; 40; 45; 50 мВ (контроль по вольтметру) и переключая вольтметр на выход преобразователя, измерять соответствующие напряжения на выходе преобразователя. Заполнить таблицу 1:

 

Таблица 1

 

UВХОДА, мВ
UВЫХОДА, мВ

 

4.4.3. При выполнении операций пунктов 4.4.1 и 4.4.2 обратить внимание на следующие моменты:

Во – первых, убедиться по показаниям осциллографа, подключенного к выходу преобразователя, в отсутствии паразитных колебаний и помех (признак их наличия – перемещение или размытость луча осциллографа).

Во – вторых, качественно оценить работу преобразователя (при нормальной работе сигнал на выходе преобразователя должен расти примерно линейно с ростом напряжения на его входе).

Если указанные условия не выполняются необходимо провести поиск неисправности и наладку схемы, после чего повторить операции по п.п. 4.4.1 и 4.4.2.

4.4.4. Делением соответствующих выходных напряжений на входные по п. 4.4.2, определить частные коэффициенты передачи преобразователя при соответствующих входных напряжениях K_i=U_{ВЫХОДА i}/|U_{ВХОДА i}|. Определить средний коэффициент передачи по формуле

К₁=4,5; К₂=2,75; К₃=2,2; К₄=1,9; К₅=2; К₆=1,7

.

К=4,5+2,75+2,2+1,9+2+1,7/6=2,5

 

4.4.5. Определить приведенную погрешность нуля (аддитивную погрешность) γ₀ по формулам:

 

Δ₀=35/2,5=14мВ

γ₀=14/50=0,28

 

где U_BXM – максимальное значение входного напряжения.

4.4.6. Определить погрешность чувствительности по формуле:

 

,

γ _S=((4,5-2,5)/2,5)*100%=80%

где (K_i – K) _MAX – максимальная из разностей.

Примечание. Все расчеты по п.п. 4.4.4 – 4.4.6 могут выполняться после проведения всех экспериментов.

4.5. Определение передаточной функции преобразователя

4.5.1. Отключить от входного делителя шину питания и подключить звуковой генератор. Потенциометр на R3 установить в верхнее положение. К входу преобразователя подключить осциллограф и вольтметр, если у него есть режим измерения переменного напряжения.

4.5.2. Установить на звуковом генераторе частоту 20 Гц и величину сигнала 30мВ по вольтметру или 42 мВ по осциллографу (различие в величинах связано с тем, что по осциллографу измеряется амплитудное значение сигнала, а по вольтметру действующее, которое в 1,41 раза меньше амплитудного).

4.5.3. Подключить измерительные приборы к выходу преобразователя и замерить напряжение синусоиды на нем. По осциллографу визуально оценить форму сигнала, которая не должна иметь видимых отличий от синусоиды.

4.5.4. Повторить операции п.п. 4.5.1 - 4.5.3 при частотах f, равных 40, 60, 80, 100 Гц (напоминаем, что амплитуда входного сигнала должна быть неизменна, меняется только его частота).

4.5.5. Вычислить коэффициент передачи на каждой частоте К_J(f) как отношение величины выходного сигнала к входному на каждой частоте.

4.5.6. Построить графическую зависимость коэффициента передачи K(f) от частоты.

4.5.7. Вычислить неравномерность амплитудно – частотной характеристики по формуле:

 

,

где K_JMAX, K_JMIN – максимальный и минимальный из K_J по п.п. 4.5.2; 4.5.3 и К по п.