МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННОЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

КАФЕДРА ПР - 1

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО КУРСУ:

«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ»

СОСТАВИТЕЛЬ:

К.т.н., доцент Б. Ю.Каплан

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УГЛА ПОВОРОТА

1. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1.1. Лабораторная работа проводится на лабораторном стенде, в состав которого входят:

- макет печатной платы, на которой монтируется преобразователь;

• контрольно – измерительные приборы (осциллограф, звуковой генератор и т.д.);

• паяльник;

• коммутационные устройства (розетки для подключения электропитания контрольно – измерительных приборов и паяльника, заземляющие устройства и т.д.).

2. К лабораторному стенду (к розеткам питания) подведена электрическая сеть питания напряжением 220В, представляющая серьезную угрозу здоровью и жизни человеку. Поэтому, во избежание поражением электрическим током, необходимо строго руководствоваться изложенными ниже требованиями по технике безопасности.

1.3. Запрещается выполнять какие-либо действия на лабораторном стенде до допуска студента к работе преподавателем или лаборантом.

2. Перед началом любых операций по подключению контрольно – измерительных приборов к розеткам питания убедиться, что приборы надежно заземлены.

1.5. Любые операции соединения проводов или пайки элементов с напряжением питания свыше 36В (кроме стандартных щупов и соединительных элементов контрольно – измерительных приборов) должны выполняться только при отключенном электропитании.

1.6. Лабораторные установки и приборы запрещается включать без разрешения преподавателя или лаборанта.

1.7. При обнаружении любых неисправностей (нарушение изоляции проводников, искрение в контактах или аппаратуре и т.д.) прекратить любые работы на лабораторном стенде и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

1.8. Паяльники питаются безопасным напряжением. Однако попадание горячего припоя на тело человека, как и прикосновение к горячей части паяльника, вызывает термический ожог. Поэтому паяльник должен всегда лежать на специальной подставке, а детали или провода при пайке должны удерживаться в заданном положении пинцетом. Запрещается проводить пайку деталей или проводов, удерживая их на весу.

1.9. Перед включением приборов регулирующие органы должны быть установлены так, чтобы после включения сигнал с генератора был минимальной амплитуды, а диапазон измерения вольтметра и осциллографа максимальный или близкий к нему.

10. Отключение приборов производится в порядке, обратном включению: сначала выключается прибор, потом шнур питания вынимается из розетки и, наконец (если необходимо), отключается заземление.

2. 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:

где К – коэффициент усиления преобразователя.

3. 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	1	2	3	4	5	6	7	8
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.

R4

А2

V

O

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.

4. 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.

10. 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).

11. 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.

12. Определение статической функции преобразования

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

    2. Входной 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	0	10	20	30	40	45	50
UВЫХОДА, мВ	U0 из п. 4.4.1

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

.

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

где U_BXM – максимальное значение входного напряжения.

4.4.6. Определить погрешность чувствительности по формуле:

,

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.

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. 4.4.4.

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

принципиальную схему преобразователя с номиналами всех элементов;

таблицы с исходными результатами измерений;

значения рассчитанных величин;

график амплитудно – частотной характеристики;

вывод о соответствии или несоответствии экспериментально полученных параметров преобразователя предъявленным к нему требованиям.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ДЛЯ ТУРБИННОГО ДАТЧИКА РАСХОДА

1. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1.1. Лабораторная работа проводится на лабораторном стенде, в состав которого входят:

- макет печатной платы, на которой монтируется преобразователь;

• контрольно – измерительные приборы (осциллограф, звуковой генератор и т.д.);

• паяльник;

• коммутационные устройства (розетки для подключения электропитания контрольно – измерительных приборов и паяльника, заземляющие устройства и т.д.).

2. К лабораторному стенду (к розеткам питания) подведена электрическая сеть питания напряжением 220В, представляющая серьезную угрозу здоровью и жизни человеку. Поэтому, во избежание поражением электрическим током, необходимо строго руководствоваться изложенными ниже требованиями по технике безопасности.

3. Запрещается выполнять какие-либо действия на лабораторном стенде до допуска студента к работе преподавателем или лаборантом.

4. Перед началом любых операций по подключению контрольно – измерительных приборов к розеткам питания убедиться, что приборы надежно заземлены.

5. Любые операции соединения проводов или пайки элементов с напряжением питания свыше 36В (кроме стандартных щупов и соединительных элементов контрольно – измерительных приборов) должны выполняться только при отключенном электропитании.

6. Лабораторные установки и приборы запрещается включать без разрешения преподавателя или лаборанта.

7. При обнаружении любых неисправностей (нарушение изоляции проводников, искрение в контактах или аппаратуре и т.д.) прекратить любые работы на лабораторном стенде и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

8. Паяльники питаются безопасным напряжением. Однако попадание горячего припоя на тело человека, как и прикосновение к горячей части паяльника, вызывает термический ожог. Поэтому паяльник должен всегда лежать на специальной подставке, а детали или провода при пайке должны удерживаться в заданном положении пинцетом. Запрещается проводить пайку деталей или проводов, удерживая их на весу.

9. Перед включением приборов регулирующие органы должны быть установлены так, чтобы после включения сигнал с генератора был минимальной амплитуды, а диапазон измерения вольтметра и осциллографа максимальный или близкий к нему.

10. Отключение приборов производится в порядке, обратном включению: сначала выключается прибор, потом шнур питания вынимается из розетки и, наконец (если необходимо), отключается заземление.

2. 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 R_Н = 100 кОм, С_Н = 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 U_ПОР – выбранное значение напряжения порога срабатывания формирователя импульсов; U_П – 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

R2

А2

R1

А1

Вход

R4

А3

Рис.1. Принципиальная схема преобразователя

2.4. Расчет схемы преобразователя ведется в следующей последовательности.

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 U_ПОР = 20мВ. Далее, задаваясь величиной сопротивления R3, рассчитывают сопротивление R2 как это указано в п. 2.3.

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.