Разработка усилительного устройства для автоматического компенсатора
1. Функциональная схема усилительного устройства
автоматического компенсатора
Функциональная схема автоматического компенсатора
усилительного устройства, приведенная на рис. 1.1 состоит из пяти блоков:
датчика температуры, усилителя-модулятора, объекта управления,
потенциометрического датчика и преобразовательного устройства.
Рисунок 1.1 - Функциональная схема автоматического
компенсатора усилительного устройства
где: ДТ-датчик температуры(термопара);
Д - датчик (потенциометрический);
ИО - исполнительный орган (двигатель ЭМ-0,5М);
ОУ - объект управления (механическая стрелка);
ПУ - преобразовательное устройство;
Uх(t) - измеряемое напряжение;
Uу(t) - аналоговый сигнал на выходе усилителя-модулятора;
Uк(t) - - компенсирующее напряжение;
α(t) - угол отклонения
движка реохорды;
В данной схеме используются такие элементы, как датчик
температуры, который формирует сигналы низкого уровня (десятки милливольт). Для
того чтобы исключить помехи от сильноточных цепей, сигнал от датчика подается
на усилитель, который устанавливается ближе к датчику, чтобы дополнительно
повысить точность измерения и уменьшить расход компенсационных проводов. Далее
сигнал принимает исполнительный орган (двигатель ЭМ-0,5М), после чего угловая
скорость на выходе двигателя поступает на объект управления, т.е. на
механическую стрелку, угол отклонения движка реохорды фиксирует
потенциометрический датчик, после этого преобразовательное устройство выдает
компенсирующее напряжение, которое поступает на сумматор.
Автоматическое измерительное устройство, работающее по
компенсационному методу измерения, то есть по методу сравнивания двух величин,
главным образом электрических напряжений или сил токов. В данной работе был
выбран компенсатор с двухфазным асинхронным двигателем. Автоматический
компенсатор, согласно схеме 2.2 работает следующим образом: датчик (D)
преобразует измеряемую величину (х) в эдс (Ех), которая сравнивается
с другой эдс в измерительной схеме уравновешивания. Сигнал рассогласования (ΔЕ) усиливается и вызывает вращение двигателя (Д). Одновременно
перемещается уравновешивающий орган (УО), изменяя сопротивление компенсирующей
цепи (в схеме уравновешивания) таким образом, чтобы ΔЕ (сигнал рассогласования) уменьшилось; при ΔЕ=0 двигатель останавливается. Отсчёт производится по показанию
стрелки прибора, жестко связанных с УО. Потенциометр автоматического
компенсатора с двигателем представляет собой замкнутую астатическую (поскольку
она содержит одно интегрирующее звено в виде двигателя) систему. Большинство
приборов, работающих по этому принципу, производят регистрацию, а иногда и
регулирование измеренной величины. Такие самоуравновешивающиеся приборы можно
применять для измерений практически любых величин (ЭДС, сопротивления,
индуктивности, емкости, частоты, мощности, температуры, механического
перемещения, давления, уровня, светового потока и т.д.), которые могут быть
преобразованы в электрический сигнал.
Преимущества этих приборов: высокая чувствительность (порог
чувствительности некоторых К. а. < 1 мкв) и точность измерения (0,2-0,5% от
диапазона шкалы), возможность измерения без потребления энергии из измеряемой
цепи; дистанционность измерений; хорошее быстродействие (скорость перемещения
по шкале до 1 м/сек). Электрическая схема автоматического компенсатора
представлена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.2 - Электрическая схема автоматического
компенсатора
где: х - измеряемая величина; D - датчик; Ех -
преобразованная эдс; У - усилитель; ΔЕ - сигнал
рассогласования; Д - электродвигатель; УО - уравновешивающий орган.
2. Выбор стандартных электромеханических и
электронных элементов
.1 Выбор двигателя
Двигатель применяют в автоматических и следящих системах в
качестве исполнительных, т.е. двигателей, осуществляющих преобразование
электрического сигнала (напряжения) управления в механическое вращение вала.
Такие двигатели имеют хорошие регулировочные характеристики.
Отсутствие самохода (самоторможения двигателя при снятии
сигнала управления); широкий диапазон регулировании частоты вращения;
линейность механических и регулировочных характеристик; устойчивость работы во
всем диапазоне частот вращения; большой пусковой момент; малая мощность
управления, быстродействие, надежность работы, малые габариты и масса.
Недостатки: наличие скользящего контакта между щетками и
коллектором, являющегося источником радиопомех; малый срок службы щеточного
устройства.
Асинхронные двухфазные двигатели с полым ферромагнитным
ротором. Такие двигатели используют в схемах автоматики в качестве исполнительных
и вспомогательных. Ротор выполняют в виде стального цилиндра с толщиной стенки
0.5 - 3 мм. Внутреннего статора нет, так как магнитный поток замыкается через
ротор. Вследствие эффекта вытеснения тока и большого удельного сопротивления
стали активное сопротивление полого ферромагнитного ротора довольно высокое,
что устраняет самоход, обеспечивает устойчивую работу двигателя во все
диапазоне частот вращения и приближает механические и регулировочные
характеристики к линейным. Этот двигатель обладает большим моментом инерции и
небольшим пусковым моментом, что снижает его быстродействие. Для увеличения
пускового момента и мощности в некоторых двигателях цилиндрическую поверхность
ротора покрывают слоем меди толщиной 0.05 - 0.1 мм. Следует иметь в виду, что
стальной ротор таких двигателей действителен к неравномерности воздушного
зазора и при небольшом эксцентриситете может произойти «прилипание» ротора
2.2 Выбор датчика
В данном курсовом проекте в качестве датчика, преобразующего
температуру в напряжение, используется термоэлектрический датчик (термопара).
Просмотрев характеристики различных термоэлектрических датчиков, был выбран
наиболее подходящий по параметрам преобразователь термоэлектрический ТХК-10.
Измерение температуры с помощью преобразователи
термоэлектрического ТХК-10 основано на явлении возникновения
термоэлектродвижущей силы (ТЭДС) в цепи термопары при помещении ее рабочего и
свободного концов в среды с различными температурами.
Термоэлектрический преобразователь (далее - ТП) типа ТХК-10
предназначены для измерений температуры в атмосфере газообразных, химически
неагрессивных сред с влажностью не более 80%. Нормальный режим эксплуатации ТП
определяется следующими воздействующими факторами: температура окружающего
воздуха от 15 до 60°С, относительная влажность не выше 80% при 15°С,
атмосферное давление 84 - 106,7 кПа (630-800 мм. рт. ст.), диапазон измеряемых
температур от -40 до +600°С.
Основные технические характеристики:
- длина монтажной части от 320 до 20000 мм;
- диаметр монтажной части -7 или 13 мм;
- масса от 0,085 до 3,92 кг;
- назначенный срок службы 5 лет;
Преобразователи термоэлектрические ТХК-10 изготавливаются в
зависимости от исполнения из термоэлектродной проволоки диаметром 1,2 или 3,2
мм. ТП выполняются с изолированной термопарой и неизолированной термопарой. По
количеству термопар в одной зоне ТП выполняются одинарными. ТП являются
невосстанавливаемыми, можно монтировать, одно функциональные изделия.
Тип преобразователей термоэлектрических ТХК-10 утвержден с
техническими и метрологическими характеристиками, приведенными в настоящем
описании типа, метрологически обеспечен при выпуске из производства.
3. Разработка электрической принципиальной схемы
автоматического компенсатора
.1
Разработка усилителя термопары
Данный операционный усилитель ОУ (ОР213) можно отнести к
точным ОУ с малым тепловым дрейфом нуля. Схема позволяет измерять температуру в
диапазоне 0-1000 0С с точностью 0,02 0С, при применение
данного ОУ и термопары К-типа. Эта термопара обладает наиболее близкой к прямой
термоэлектрической характеристикой. Термоэлектроды изготовлены из сплавов на
никелевой основе. Благодаря высокому содержанию никеля, хромель и алюмель лучше
других неблагородных металлов по стойкости к окислению. К разъему подключается
кремневый диод. Известная зависимость тока p-n перехода от температуры
позволяет сформировать компенсационное напряжение для коррекции ошибки
холодного спая. ОУ питается напряжением +12В, максимальное выходное напряжение
за счет внутреннего падения напряжения, чуть больше 10В. Схема на ОУ
представляет усилитель с ОС с коэффициентом усиления около 200. Резистор R6
осуществляет балансировку опорного напряжения ОУ (установку нуля). Задача,
измерять температуру до 400 о С с точностью +/ - 1-2 оС.
Разработана схема на рисунке 3.1
Рисунок 3.1 - Схема усилителя для термопары
Напряжение питания 5В, максимально можно измерить 375 0С.
Относительно большой температурный дрейф ОУ определяет ошибку измерения, не
более 2 0С.
,74К=2,7К+39 53,6=27+27 3,95К=3,9К+51
3.2 Выбор и расчет элементов
амплитудно-импульсного модулятора
При помощи модулятора, представленного на рисунке 3.2, можно
преобразовать полученный сигнал постоянного тока в необходимый сигнал
переменного тока.
Рисунок 3.2 - Принципиальная схема амплитудно-импульсного
модулятора
В режиме модулятора схема преобразует медленно меняющийся
сигнал в последовательность импульсов, частота которых соответствует частоте
опорного напряжения. Данный модулятор строится на базе ОУ. Модулированный
высокочастотный сигнал не содержит низкочастотных составляющих, но содержит в
себе информацию о низкочастотном входном сигнале, которая заложена в изменениях
амплитуды выходного сигнала модулятора. В схеме данного АИМ используются интегральный
ОУ. В зависимости от состояния транзистора ОУ работает в режиме инвертирующего
(VT насыщен) или в режиме
вычитающего (VT закрыт) усилителя. При положительной полярности напряжений Uвх и Uоп связь между входным и
выходным сигналами модулятора можно получить из соотношения:
, при 
В следующий полупериод напряжений Uвх и Uоп:
,
т.е. полярность напряжений Uвых не
изменяется.
Ограничим максимальное выходное напряжение на выходе схемы
значением:
.
Мощность рассеивания на резисторах:
,
тогда тип резисторов С2-23-0,125-10 кОм.
Мощность рассеивания на резисторах:
,
тогда тип резисторов С2-23-0,125-20 кОм
Находим максимальный ток нагрузки, а из него максимальные токи,
протекающие в транзисторе:
,
Для того чтобы транзистор находился в открытом состоянии
достаточно иметь 
с частотой 400 Гц. Отсюда:
Входное сопротивление транзистора:
По стандартному ряду выбираем 
.
Мощность рассеивания на резисторе:
,
тогда тип резистора С2-23-1,0-1,2 кОм
3.3 Разработка вычитающего устройства
Для того чтобы сигнал на выходе с датчика не изменялся,
необходимо, чтобы входное сопротивление вычитающего усилителя было больше
сопротивления термопары. Сопротивление термопары равно 100 Ом. Для упрощения
функциональной и структурной схемы прибора коэффициент передачи сделаем равным
10, как результат мы пренебрегаем предварительным усилителем, который
предназначен для усиления сигнала, подаваемого на АИМ. Поэтому принимаем: R1=R2 =1 кОм, а Roc=R3=10 кОм.
Рисунок 3.3 - Схема вычитающего устройства на базе ОУ типа 14ОУД13
Вычитающий усилитель в данном курсовом проекте применяется для
вычитания двух напряжений (измеряемого и компенсирующего). Он построен на базе
ОУ типа 140УД13 на рисунке 4.3, который имеет следующие характеристики:
обладает малым напряжением смещения, большим входным и малым выходным
сопротивлением, сравнительно низким коэффициентом усиления по напряжению: UВХсм=20 мкВ; IВХсм=0.1 мА; IВХсд=0.03
мА; Rвх=100 МОм; Rвых=5 кОм; ки=15, где: IВХсм - входной ток смещения, IВХсд - ток
сдвига нуля, UВХсм - входное напряжение смещения. Расчет вычитателя начнем с
определения входных условий:
UA=UB; R1=R2=1 кОм; Roc=R3=10 кОм. Из этого следует:
, а 
, откуда
=
.
Связь входного и выходного сигналов усилителя можно получить из
вышеприведенного соотношения. Коэффициент усилителя данной схемы равен 10, так
как UВЫХ=UBX2 - UBX1; К=ROC / R1=10.
3.4 Выбор и расчет элементов блока питания
Блок питания, электрическая схема которого показана на рисунке
4.4, должен выдавать напряжение питания ОУ ±15В. Потребляемый ток данного блока
равен 100мА. Разработанный блок питания содержит три ОУ К150УД6, потребляемых
по 3мА тока и один ОУ К140УД13, потребляемый 2мА тока. Следовательно, общий ток
блока питания равен: 
.
Рисунок 3.4 - Электрическая схема блока питания
Для вычисления емкостей фильтров 
и 
эквивалентное сопротивление нагрузки:
.
.
Пусть 
. Падение напряжения на стабилитронах 
и 
считается равным. 
. Из этого условия выбираем стабилитрон марки KS216Ж: 
. Резисторы
и 
расчитываются по формуле:
, где 
.
.
Диоды для моста выбираем по следующим параметрам:
) 
, отсюда следует, что 
;
) 
, отсюда следует, что 
.
Выбираем диоды 
: КД520А 
, 
.
Напряжение на 2-й и 3-й обмотках трансформатора 
равно
.
Коэффициент преобразования трансформатора равен:
.
Так как , то 
.
Мощность трансформатора определяется по следующей формуле:
, значит 
.
Транзисторы, используемые в данной электрической схеме блока
питания, выбираются по следующим параметрам:
КТ315Б: 
; 
;
; 
.
КТ361Б: ; ;; .
3.5 Расчет и выбор потенциометрического датчика
В качестве датчика используем потенциометрический датчик.
Потенциометрический датчик (рисунок 4.5) представляет собой переменное
электрическое сопротивление, величина выходного напряжения которого зависит от
положения токосъемного контакта. Они предназначены для преобразования линейных
и угловых перемещений в электрический сигнал. В данной курсовой работе применим
потенциометрический датчик по причине простоты конструкции и легкости расчета.
Можно использовать датчик типа П-1 со следующими параметрами: диапазон
измерения угла 
180 град, сопротивление реостата 3000 Ом,
допустимая мощность 10 Вт, 400 витков.
Рисунок 3.5 - Схема потенциометрического датчика
Коэффициент передачи датчика определяется выражением:
,
где Uп = 28 В напряжение питания датчика и φmax = 360 град - максимальный угол перемещения
датчика.
;
При угле срабатывания 
имеем:
Выберем напряжение питания для потенциометрического датчика U = 2 В.
Мощность рассеивания на резисторе:
, тип резистора С2-23-0,5-10 Ом.
из ряда номинальных сопротивлений Е24: =200 Ом. Мощность рассеивания на
резисторе:
В. Тип резистора С2-23-0,125-390 Ом. Так
как информация заключена в разности сигналов, то в схему необходимо ввести
вычитатель. Сигнал недостаточный, его можно совместить с предварительным
усилением.
3.6 Расчет и выбор элементов усилителя напряжения
В качестве усилителя напряжения можно использовать инвертирующий
усилитель. Схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 3.6
Рисунок 3.6 - Схема инвертирующего усилителя
Операционный усилитель обладает большим коэффициентом усиления,
сигнал на его выходе вырабатывается при малом входном сигнале. Это означает,
что инвертирующий вход ОУ (точку P) можно считать
виртуальной (мнимой) землей, т.е. точкой с практически нулевым потенциалом. Для
получения коэффициента усиления ОУ требуемого уровня вводится отрицательная
связь через резистор обратной связи 
. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя:
Отрицательный знак указывает на инвертирование входного сигнала
при его усилении. Коэффициент усиления всей схемы: 
; 
, тогда 
, 
, тогда 
. Из ряда номинальных значений
сопротивлений Е24: 
.
Мощность рассеивания на резисторе 
, тогда тип резистора С2-23-1,0-1 кОм
,
Мощность рассеивания на резисторе , тип резистора С2-23-0,25-8,8 кОм
Е24 
Мощность рассеивания на резисторе 
, тип резистора С2-23-0,25-9,1 кОм
,
4. Моделирование автоматического компенсатора в EWB
усилительный компенсатор датчик
В программе EWB был смоделирована схема амплитудно-импульсного
модулятора и инвертирующий усилитель для автоматического компенсатора,
показанного на рисунке 4.1, подключили осциллограф и генератор, чтоб увидеть
входной и выходной сигналы на рисунках 4.2 и 4.3.
Рисунок 4.1 - Схема амплитудно-импульсного модулятора и
инвертирующий усилитель для автоматического компенсатора
Рисунок 4.2 - Осциллограмма амплитудно-импульсного модулятора
автоматического компенсатора
Рисунок 4.3 - Осциллограммы входного и выходного сигналов
инвертирующего усилителя автоматического компенсатора
5. Разработка сборочного чертежа устройства и
печатной платы
Прецизионный усилитель термопары типа K выполнен в
конфигурации с компенсацией холодного спая. Даже при +5 V питания, AD8551 может
обеспечить точность измерения 0,02°C в диапазоне температур от 0°С до 500°С.
Диод D1 используется в качестве устройства для измерения температуры. При
градуировке термопары спай должен быть погружен в ледяную баню нуля градусов
(лед с водой). Переменным резистором R6 корректируют выход на 0 V.
При значениях резисторов указанных на схеме, показанных на
рисунке 6.1, выходное напряжение будет отслеживать температуру. Для диапазона
измерения температуры до 1000 ᵒС. В качестве термопары подходит отрезок
T-термопары от мультиметра (например, M890G), причем термопара работает до 500ᵒС
и на скрутке горячего спая. Усилитель собран на отдельной плате размером 38х25
мм и рассчитан на подключение к плате vapcDC через разъем Х1. К разъему Х2
подключается КХС термопары, которая может быть рядом с платой или отдалена с
помощью трехпроводного шлейфа на расстоянии, определяемое конструкцией
устройства. При соответствующей доработке получается КХС с диодом D1.
Рисунок 5.1 - Печатная плата усилителя ЭДС термопары)
Заключение
В данной курсовой работе было спроектировано усилительное
устройство для автоматического компенсатора. В процессе разработки устройства
были соблюдены все необходимые требования технического задания. В процессе
проектирования в схему были включены такие необходимые устройства, как
операционный усилитель, усилитель-модулятор, источник питания и усилитель
напряжения, без которых добиться необходимого результата было бы невозможно.
Современные устройства измерения обеспечивают высокую
точность обработки сигналов управления в условиях действия различных возмущений
и помех. Для получения надлежащих характеристик таких систем конструктору
приходится находить компромиссные решения, так как требования к точности и
показателям качества переходных процессов взаимоисключающие.
Основной путь к преодолению такого противоречия - применение
элементов с большими коэффициентами усиления и корректирующих устройств. Однако
с ростом коэффициента усиления возрастает влияние нелинейностей в элементах,
что приводит к нарушению принципа суперпозиции и необходимости учета при
проектировании управляющих и возмущающих воздействий. С их применением в
системах появляются чередующиеся режимы устойчивого, неустойчивого движений и
автоколебаний.
Список используемой литературы
1. Терещук
Р.М., Седов С.А. Справочник радиолюбителя. - К.: Наукова думка, 1989
2. Волков
Н.И., Миловзоров В.П. Электромашинные устройства автоматики. - М.: Высшая школа,
1986
. Ганич
П.С. Расчет и проектирование элементов систем управления. - Х.: ХАИ, 1988
. Ганич
П.С. Усилительно-преобразовательные устройства. - Х.: ХАИ, 1982
. Бесекерский
П.М. Руководство к проектированию систем автоматического управления. - М.:
Высшая школа, 1983