Измерительный преобразователь для индукционного датчика. Выдача звукового сигнала фиксированной длительности и программируемой частоты

трансформаторные датчики, у которых под действием измеряемой физической величины изменяется коэффициент трансформации между первичной и вторичной обмотками или, что то же самое, взаимная индуктивность – это датчики линейного перемещения.

·  индуктивные датчики, у которых под действием физической величины изменяется индуктивность.

·  индукционные – действие которых основано на принципе электромагнитной индукции – это так называемые вихретоковые датчики.

С помощью перечисленных выше датчиков могут измеряться:

-  толщина покрытий на металлическом покрытии;

-  электропроводность материалов;

-  химический состав;

-  качество поверхности;

-  твёрдость;

-  неоднородность;

-  магнитная проницаемость;

-  внутренние механические напряжения;

-  наличие воздушных зазоров и неоднородностей.

Одним из наиболее используемых датчиков является дифференциальный трансформатор. Используется для измерения линейных перемещений.

Встречное включение обмоток      

M±ΔM       R12                                      

                                     L12   E21   

W21

  R1 L1 W1           

Δx

R22                                               W21       W1       W22

MΔM            L22   E22

W22                                              E21         E1        E22

ΔxºΔM

Область использования этих датчиков очень широка. Из выходного напряжения дифференциального трансформаторного датчика видно, что изменения их пропорциональны ΔМ – взаимной индуктивности, которая в свою очередь пропорциональна измеряемой величине, т.е. Δх. Однако в одной из обмоток ΔМ увеличивается, тогда как в другой уменьшается. За нулевое положение принимается такое, когда напряжение на выходных обмотках одинаково.

Основным недостатком такой схемы включения является зависимость выходных показателей от температуры окружающего воздуха. Для устранения этого недостатка первичную обмотку датчика целесообразно запитывать от источника тока.

Для исключения влияния изменения параметров первичной обмотки используют так называемый сумморазностный метод. Разность выходных напряжений делят на их сумму:

=>

При таком подходе на результат преобразования не влияет нестабильность параметров обмотки возбуждения и, кроме того, относительные изменения магнитной проводимости сердечника.

Подобный метод преобразования широко используется не только в трансформаторных датчиках, но и в емкостных.

Есть множество вариаций этих датчиков на основе дифференциального трансформатора, когда в качестве опоры используется ток, различные фазосдвигающие цепочки.

2.Разработка функциональной схемы.

КсПОС- компаратор с положительной обратной связью

УО- усилитель ограничитель

ГСН- генератор синусоидальных сигналов

Д- индукционный датчик

ДУ- дифференциальный усилитель

ФЧВ- фазочувствительный выпрямитель

ФНЧ- фильтр низких частот

ПНТ- преобразователь напряжение-ток

ПТН- преобразователь ток- напряжение

ФСУ- фазосдвигающее устройство

3.Разработка и расчет принципиальной схемы.

3.1.Генератор sin колебаний с Т–образной фазосдвигающей цепочкой.

рис. 3.1.1 Схема Т–образной фазосдвигающей цепочкой

(3.1.1)

(3.1.2)

                                                                                        (3.1.3)   

                                                                                                   (3.1.4)

рис. 3.1.2 Принципиальная схема генератора sin колебаний

(3.1.5)

В данных генераторах имеется возможность подстройки частоты в небольших пределах, как правило это R2. Изменение же частоты в широких пределах требует сдвоенных элементов, либо конденсаторов, либо резисторов. На выходе 12В.  ОУ: К140УД17

C1=К50-6 - 10 В – 5.1мкФ  10%         R1=R”= МЛТ 0,125 10 кОм±5%

R’=R2= МЛТ 0,125 10 кОм±5%

3.2. ФЧВ

рис. 3.2.1 Принципиальная схема фазочувствительного выпрямителя

Фазочувствительный выпрямитель ФЧВ предназначен для выделения из сигнала снимаемого с датчика полезной составляющей  ФЧВ собран по стандартной схеме на операционном усилителе DA7 типа 544УД2А. В качестве управляющего ключа использована микросхема К590КН7 , содержащая два 2-двухканальных ключа с раздельными входами управления и нормально замкнутыми контактами 3-4 и 5-6.Для управления каналами на управляющие входы подаются напряжения Uвх¹≥5В и Uвх⁰ ≤5В. Резисторы R11 и R13= 10 кОм.

По ряду Е24 и справочнику [ 1 ] выбираем :

R11=R13= МЛТ 0,125 10 кОм±5%

DA8 К590КН7

Рассчитаем ошибку преобразования:

                     (3.2.1)

Данная ошибка мала по сравнению с полезным сигналом, изменения которого составляет 1В. 

3.3. ФНЧ

ФНЧ применяется чтобы убрать переменную составляющую на несущей частоте, оставив при этом постоянную.

В качестве фильтра используем активный фильтр первого порядка.

Рис 3.3.1  ФНЧ.

Рассчитаем номиналы элементов:

Пульсации,согласно условию, не должны превышать 0.2 %

ω=4*π*f                                                                                                          (3.3.2)

1/ω*T=1/500                                                                                                   (3.3.3)

Т=R1*C1                                                                                                       (3.3.4)

R1*C1=250/ ω                                                                                              (3.3.5)                                                          

Следовательно:

R1*C1=250/ 2* π*f                                                                                        (3.3.6)                                                               

Зададимся R1=100 кОм рассчитаем С10 :

C1=250/2*π*f*R1=250/2*3.14*200*100000=2 (пФ)

R1=R2

По справочнику [ 1 ] выбираем :

R1,R2                            МЛТ-0,125-100 кОм ± 5%

C1                                  К53 - 10 В - 1 пФ  10%

3.4. Выходной преобразователь

В качестве выходного преобразователя применим “преобразователь напряжение-ток  собранный по схеме с повторителем”[ 5 ]

Рис 3.4.1 ПНТ.

Данная схема имеет преимущества перед схемой Хауленда в требованияx к номиналам, но проигрывает по погрешности и потребляемой мощности.

Рассчитаем номиналы элементов:

Uвхмакс=9В, Uвхмин=0В.

Iвыхмин=4мА, Iвыхмакс=20мА.

Uвыхмакс=13,5 В.

R23=510 Ом согласно ГОСТ 26_011-80

                                                                  (3.4.1)

                                                      (3.4.2)

По ряду Е24 и [ 1 ] выберем   R22 = МЛТ 0,125 180 Ом±5%

R23= МЛТ 0,125 510 Ом±5%

                                              (3.4.3)

R20/R18=R21/R19=20*10^-3*180/9=0.4                                            (3.4.4)                 

Пусть R20=R21= 430 Ом

Тогда R18=R19=1 кОм

По ряду Е24 и [ 1 ] выберем R20=R21= МЛТ 0,125 430 кОм±5%

R18=R19= МЛТ 0,125 1 кОм±5%

Рассчитаем погрешность преобразования:

               (3.4.5)

3.5. Усилитель-ограничитель

рис. 3.5.1 Усилитель-ограничитель.

УО предназначен для формирования прямоугольных импульсов из исходного сигнала с частотой импульсов равной частоте исходного сигнала. В нашем случае амплитуда импульсов равна 1,2 В. Резистор R1 предназначен для уменьшения входного тока и берется равным  1 кОм.   

По ряду Е24 и справочнику [ 1 ] выбираем :R1= МЛТ 0,125Вт 1кОм±5%.

Диоды берем Д226А.  [ 2 ]

3.6. Компаратор с положительной обратной связью

Компаратор - это устройство, которое сравнивает сигналы на входах и в зависимости от результата на выходе появляется низкий или высокий уровень. Для повышения быстродействия используется схема с ПОС.В данной схеме на выходе присутствует напряжение амплитудой ±Uпит.

Рис4.3.1 . Компаратор с ПОС.

                                                     (3.6.1)

Рассчитаем номиналы элементов с учетом того, что Uоп=15 мВ:

                                                    (3.6.2)

C учетом того что в данной схеме U¹вых=15 В и задавшись R1=1кОм

Получаем :

                           (3.6.3)

Диод VD6 предназначен для формирования импульсов только положительной