Канал обработки информации при использовании реостатного датчика

Министерство  образования и науки Российской федерации

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«Владимирский государственный  университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича

Столетовых»

Кафедра ПиИИТ

 

 

 

Курсовой проект

по дисциплине «Физические основы получения информации»

тема: «Канал обработки информации с использованием реостатного датчика»

 

 

Выполнил

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Владимир, 2012 г.

 

Содержание 

 

1	Задание курсового  проекта	3
2	Обзор реостатных датчиков	4
3	Описание работы схемы	11
4	Обоснование выбора элементов	12
5	Расчет погрешностей	13
6	Выбор корпуса	19
7	Список используемой литературы	20
	Приложения	21
	Функциональная  схема	21
	Печатная плата  блока питания	21
	Принципиальная  схема	22
	Печатная плата  канала обработки информации	23
	Спецификация	24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Задание курсового проекта

 

Рассчитать канал обработки информации при использовании реостатного датчика.

 

 

Питание-сеть; x=±1 мм; γ_д=±0,1%; γ_∑=<1%; R_д=2000 Ом; Uv=2В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Обзор реостатных датчиков

 

Реостатный  датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной  является линейное или угловое перемещение  токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

Предназначены для преобразования линейных или  угловых перемещений в электрический  сигнал, а также для воспроизведения  простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа. По способу выполнения сопротивления делятся на

- ламельные  с  постоянными сопротивлениями;

- проволочные  с непрерывной намоткой;

- с резистивным  слоем.

Ламельные датчики использовались для проведения относительно грубых измерений  в силу определенных конструктивных недостатков.

В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные  по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям. Ламель представляет собой  конструкцию с чередующимися  проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт (Рисунок 1). При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение  сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

Проволочные датчики предназначены для более точных измерений. Как правило их конструкции представляют собой  каркас  из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник.

Диаметр проволоки  определяет класс точности реостатного датчика (высокий-0,03-0,1 мм , низкий 0,1-0,4 мм). Материалы провода : манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.

Реостатные датчики с резистивным слоем.

Преимущества реостатных датчиков :

- простота конструкции;

-  малые габариты и вес;

-  высокая степень линейности статических характеристик;

- стабильность характеристик;

- возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатки :

-  наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка ;

-  погрешность в работе за счет нагрузки ;

- сравнительно небольшой коэффициент преобразования;

- высокий порог чувствительности ;

- наличие шумов ;

- подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

 

Статическая  характеристика  реостатных  датчиков

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим на примере реостатного датчика с непрерывной намоткой. К зажимам реостата прикладывается переменное или постоянное напряжение U. Входной величиной является перемещение X, выходной − напряжение U_вых. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна т.к. справедливо соотношение:

                                            U_вых=(U/R)r ,

где R- сопротивление обмотки ;

18. сопротивление части обмотки.

Учитывая, что  r/R=x/l ,где l - общая длина намотки, получим

          U_вых=(U/l)x=Kx    [В/м],

Где К - коэффициент преобразования (передачи) датчика.

Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к изменению знаку, например, схема представленная на рисунке. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке. Полученные идеальные характеристики могут существенно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:

1.Зона нечувствительности.

    Выходное напряжение  меняется дискретно от витка  к витку, т.о. возникает эта зона, когда при малом входная величина U_вых не меняется.

Величина скачка напряжения определяется по формуле :

            DU=U/W , где W- число витков.

 

     Порог чувствительности  определяется диаметром намоточного  провода :

            Dx=l/W.

 

 

2.Неравномерность  статической характеристики из-за непостоянства диаметра провода, удельного сопротивления и шага намотки.

3.Погрешность  от люфта, возникающего между осью вращения движка и направляющей втулкой (для уменьшения используют поджимные пружины).

4. Погрешность  от трения.

При малых мощностях элемента приводящего в движение щетку реостатного датчика может возникать за счет трения зона застоя.

Необходимо тщательно  регулировать нажим щетки.

 

 

5.Погрешность  от влияния нагрузки.

В зависимости от характера  нагрузки возникает погрешность, как  в статическом, так и в динамическом режимах. При активной нагрузке изменяется статическая характеристика. Величина выходного напряжения  будет определяться в соответствии с выражением:

                 U_вых=(UrR_н)/(RR_н+Rr-r²)

Т.о. U_вых=f(r) зависит от R_н. При R_н>>R можно показать, что U_вых=(U/R)r ;

при  R_н»R зависимость нелинейна, и максимальная погрешность датчика будет при отклонении движка на (2/3))l. Обычно выбирают R_н/R=10…100. Величина ошибки при x=(2/3)l может быть  определена из выражения :

                                 E=4/27h,

где  h=R_н/R - коэффициент нагрузки.

 

Собственные  шумы  реостатного датчика

 

При движении щетки от витка к витку напряжение на выходе меняется скачком. Погрешность, создаваемая ступенчатостью имеет вид пилообразного напряжения, наложенного на выходное напряжение передаточной функции ,т.е. представляет собой шум . При наличии вибрации щетки при движении также создается шум (помеха). Частотный спектр вибрационного шума лежит в области звуковых частот.

Для устранения вибрации токосъемники выполняют из нескольких проволочек различной длины сложенных вместе. Тогда собственная частота каждой проволочки будет различна, это препятствует появлению технического резонанса. Уровень тепловых шумов низок, их учитывают в особо чувствительных системах.

 

Функциональные реостатного датчики

 

Необходимо  отметить, что в автоматике часто  для получения нелинейных зависимостей используются функциональные передаточной функции.

Их построение производится тремя способами :

- изменением  диаметра проволоки вдоль намотки ;

-  изменением  шага намотки ;

- применением  каркаса определенной конфигурации ;

- шунтированием  участков линейных реостатов сопротивлениями различной величины .

 

     Например, чтобы получить квадратичную  зависимость по з-му способу,  нужно чтобы ширина каркаса изменялась по линейному закону, как это показано на рисунке 9.

 

Многооборотный  потенциометр

Обычные потенциометрические  датчики имеют ограниченный диапазон работы. Его величина задана геометрическими  размерами каркаса и числом витков обмотки. Их увеличивать беспредельно нельзя. Поэтому нашли применение многооборотные потенциометрические датчики, у которых резистивный элемент свит по винтовой линии с несколькими витками, их ось должна повернуться несколько раз, чтобы движок переместился с одного конца обмотки на другой, т.е. электрический диапазон таких датчиков кратен 360⁰.

Основным достоинством МПД является высокая разрешающая  способность и точность, что достигается  благодаря большой длине резистивного элемента при малых общих габаритах.

Недостатки :

- наличие трех и более подвижных контактов (сложность конструкции) ;

-  небольшая скорость вращения ограничивает их применение в быстродействующих системах.

 

Фотопотенциометры  (ФП) − представляет собой бесконтактный аналог обычного потенциометра с резистивным слоем, механический контакт в нем заменен фотопроводящим, что, конечно, повышает надежность и срок службы. Сигналом с ФП управляет световой зонд, выполняющий роль движка. Он формируется специальным оптическим устройством и может смещаться в результате внешнего механического воздействия вдоль фотопроводящего слоя. В месте засветки фотослоя возникает избыточная по сравнению с темновой фотопроводимость и создается электрический контакт.

     ФП  выполняют на гомогенной (фоторезистивной)  и гетерогенной (типа р-п перехода) основах.

ФП по назначению : линейные и функциональные.

Функциональные − позволяют  пространственное перемещение источника  света преобразовать в электрический  сигнал заданного функционального  вида за счет профилированного резистивного слоя (гиперболические, экспоненциальные, логарифмические).

 ФП на  гетерогенной основе обладают  чувствительностью от 0,5 до 1,0 В/мм*мВт и постоянной времени t»10^-6с. Отклонение от линейности в них достигает 1-5% на длине 70мм.

ФП на гомогенной основе обладают большей инерционностью их постоянные времени находятся в пределах от 10^-3с  до 10^-2с.

Разрешающая способность: 1-12 мкм.

Недостатки  ФП :

- отсутствие нуля пелингационной характеристики;

- небольшая мощность выходного сигнала;

- технологические сложности изготовления слоев.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Описание работы схемы

 

Датчик питается напряжением 1000 мВ через стабилизатор напряжения с коэффициентом стабилизации K = 30 от общего с усилителем стандартного нестабилизированного блока питания. Усилитель У предназначен для обеспечения линейности характеристики всего канала, для чего имеет входное сопротивление, много большее сопротивления датчика.

Об усилителе  известно, что он выполнен в виде эмиттерного повторителя и благодаря  глубокой отрицательной обратной связи коэффициент влияния колебаний напряжения U его питания на коэффициент усиления снижен до значения y_UУ = +0,3% / (10% DU/U), а влияние температуры приводит к смещению его нуля на y_0У = + 0,2%/10К.

Установка питается от сети 220 В, 50 Гц с нестабильностью напряжения  ±15%. Преобразование напряжения происходит через блок питания, в состав которого включен трансформатор ТП121-Л4. Объект испытаний, на котором установлен датчик, находится в испытательном цехе или ангаре, где обычно поддерживается температура около 20 °С, но летом может достигать 35 °С, а зимой при открывании въездных ворот может падать до 5 °С, т. е. может изменяться в пределах (20±15) °С. Усилитель и регистрирующая аппаратура установлены в лаборатории, где температура колеблется от 19 до 26 °С.

В качестве линии  связи с датчиком используется стационарно  проложенная в траншеях цеха проводка, каждая жила которой имеет сопротивление  около 2 Ом. Напряжение наводки частотой 50 Гц, измеренное между заземленным  проводом линии и одной из изолированных жил с помощью электронного вольтметра или осциллографа с выходным сопротивлением 1 МОм, составляет 2 В.

Все перечисленные подробности совершенно необходимы для достоверной оценки погрешности предстоящих измерений. Особенно это относится к погрешностям от наводок, которые, естественно, не могут быть указаны в паспортных данных используемых средств измерений.

4. Обоснование выбора элементов

 

Потенциометр  прецизионный 6639S-1-202, 2 кОм.

Операционный  усилитель К544УД2А. Транзисторы КТ 3102А, КТ 3107А. Диоды КД 522D. Стабилитроны КС 133А.

Блок питания. Источник питания предназначен для получения напряжения, необходимого для непосредственного питания электронных устройств. Типичная структурная схема источника питания, получающего энергию от промышленной сети (220 В, 50 Гц) приведена на рисунке.

Рисунок 12. Структурная схема источника питания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчет погрешностей

 

Погрешность от наводки на линию связи может быть приближенно рассчитана следующим образом. При присоединении к линии электронного вольтметра с входным сопротивлением 1 МОм на этом сопротивлении возникало напряжение 2 В, т. е. через него проходил ток

При замыкании  линии на сопротивление датчика R_Д = 2000 Ом падение напряжения на нем от этого тока составит . Измерить такое напряжение трудно, поэтому мы и находим его расчетным путем. Таким образом, приведенная погрешность от наводки при максимальном сигнале с датчика, равном 1000мВ, будет .

Так как исходное значение наводки в 2 В было отсчитано по шкале вольтметра, т.е. являлось действующим (средним квадратическим) значением, то полученная оценка погрешности от наводки и есть ее с. к. о, т.е. . Ее максимальное значение , а закон распределения — арксинусоидальный. Следовательно, энтропийный коэффициент этого распределения k_нав=1,11, контрэксцесс = 0,816, эксцесс =1,5.

Погрешность, возникающая  от наводки посторонних напряжений на вход измерительного канала, как правило, является аддитивной, так как не зависит от величины измеряемого сигнала. Но данный конкретный случай является исключением. Здесь, как видно из схемы рис. 1, сопротивление, на которое замкнут вход измерительного усилителя, есть сопротивление нижней части реостатного датчика. При входной величине, равной нулю, это сопротивление так же равно нулю. Поэтому напряжение наводки возрастает линейно с ростом входного сигнала, т. е. в данном случае, как исключение из общего правила, погрешность от наводки оказывается мультипликативной.

Основная  погрешность датчика нормирована по паспорту максимальным значением . Для того чтобы от этого значения перейти к с. к. о., необходимо знание вида закона распределения погрешности. Одной из составляющих погрешности датчика является погрешность дискретности, обусловленная конечным числом витков его обмотки, по которым скользит подвижный контакт. Эта погрешность имеет равномерное распределение. Но если обмотка датчика имеет, например, 500 витков, то погрешность дискретности, соответствующая ±0,5 вит., составляет 0,001 = 0,1%. А ему нормируется погрешность 0,25%. Следовательно, есть еще какие-то составляющие погрешности, которые нам неизвестны (погрешность линейности, т. е. неравномерность намотки, люфт в опорах оси подвижного контакта и т. п.). Но так как они незначительно увеличили результирующую погрешность, то превалирующей, видимо, является погрешность дискретности и поэтому общее распределение погрешности можно считать близким к равномерному и приближенно принять равномерным. Тогда можно считать половиной ширины этого равномерного распределения и найти с. к. о. как . Для равномерного распределения k_нав=1,73, контрэксцесс = 0,745, эксцесс = 1,8.

Температурная погрешность датчика в его паспорте не указана, так как у самого датчика она отсутствует (коэффициент деления напряжения не зависит от температуры при одинаковых температурных коэффициентах обоих сопротивлений делителя). Но у нас датчик с R_д = 2000 Ом включен, последовательно с двумя жилами медной линии сопротивлением в 2 Ом каждая. При изменении температуры в цехе, где проложена линия связи, в диапазоне (20±15)°С и температурном коэффициенте меди = +4%/10К изменение сопротивления каждой из жил составит Ом, что по отношению R_д = 2000 Ом составляет 0,006%, т. е. величину, соизмеримую с другими погрешностями. Эта погрешность может быть исключена изменением схемы включения датчика (заменой питающего датчик стабилизатора напряжения на стабилизатор тока и переходом с трехпроводной линии на четырехпроводную). Но если этого не сделано, то возникающая погрешность хотя бы приближенно должна быть учтена при расчете результирующей погрешности канала. Приближение может состоять в следующем. Если подвижный контакт датчика находится точно в среднем положении, то погрешность отсутствует. Она максимальна лишь при крайних положениях этого контакта. Но при крайнем верхнем (на схеме) положении контакта эта погрешность, по-видимому, будет невелика по сравнению с другими мультипликативными погрешностями и ею можно в первом приближении пренебречь. Но при крайнем нижнем положении контакта возникающая погрешность смещения нуля должна быть оценена.

Для перехода от вычисленного выше максимального значения этой погрешности  , возникающего при предельных отклонениях температуры до 5 или 35 °С, к с. к. о. необходимо знать закон распределения температуры в испытательном цехе. Какие-либо данные об этом у нас отсутствуют. Пусть с вероятностью 0,95 температура лежит в этом интервале. По таблице нормального распределения находим, что вероятности Р = 0,95 соответствуют границы в ±1,96 . Отсюда искомая , а параметры закона распределения k_нав = 2,066, контрэксцесс = 0,577, эксцесс = 3.

Погрешность датчика от колебаний напряжения питания является чисто мультипликативной и распределена по тому же закону, что и отклонения напряжения сети от своего номинального значения 220В. Распределение напряжения сети близко к треугольному, с принятыми выше пределами ±15%. Стабилизатор снижает размах колебаний напряжения в K = 30 раз, т. е. на выходе стабилизатора распределение так же треугольное, но с размахом 15%/30 = 0,5%. Поэтому максимальное значение этой погрешности . С. к. о. для треугольного распределения , Параметры этого распределения: k_нав = 2,02, контрэксцесс = 0,65, эксцесс = 2,4.

Погрешность коэффициента усиления усилителя является мультипликативной и распределена так же по треугольному закону, так как вызывается колебаниями напряжения питания. Ее максимальное значение составляет , а с. к. о. . Параметры распределения уже были указаны выше.

Погрешность смещения нуля усилителя при колебании  температуры является аддитивной, а закон ее распределения повторяет закон распределения температуры в лаборатории, где установлены усилитель и регистраторы. Закон распределения температуры в лаборатории в пределах от 19 до 26 °С можно считать равномерным со средним значением 22,5 °С и размахом ±3,5 К. Максимальное значение этой погрешности при y_0У = + 0,2%/10К составляет , а с.к.о.: . Параметры равномерного распределения уже были указаны выше.

Суммирование  погрешностей, т. е. расчет результирующей погрешности канала, сводится к вычислению приведенной погрешности при х = 0, которая складывается только из аддитивных составляющих, и в конце диапазона, которая складывается из всех составляющих.

Выбор метода суммирования (складывать алгебраически или геометрически) зависит от того, являются ли суммируемые погрешности коррелированными или независимыми. Чтобы не допустить ошибок, целесообразно сразу выделить коррелированные погрешности и произвести их алгебраическое сложение. Коррелированными являются те погрешности, которые вызываются одной и той же общей причиной, а поэтому имеют одинаковую форму закона распределения, которая остается справедливой и для их алгебраической суммы.

В нашем примере  это погрешность датчика и  усилителя от колебаний напряжения питания U, имеющая треугольный закон распределения, а также погрешность усилителя от колебания температуры в лаборатории, имеющая равномерный закон распределения. Но погрешность от колебания температуры датчика и температуры усилителя — это не коррелированные погрешности, так как их вызывает не одна и та же температура, а разные (температура в цехе и температура в лаборатории).

Для алгебраического  суммирования коррелированных погрешностей необходимо установить их знаки. Так, коэффициент  влияния на погрешность коэффициента усилителя от колебаний напряжения питания является положительным y_UУ = +0,4%/(10% DU/U), т.е. коэффициент усиления с ростом напряжения питания возрастает. Также положительным является коэффициент влияния на погрешность от колебания напряжения питания датчика. Поэтому результирующее значение этих погрешностей равно просто их сумме:

а закон распределения  этой суммарной погрешности сохраняется  треугольным.

Температурная погрешность эмиттерного повторителя положительна y_0У = +0,35%/10К, так как с ростом температуры падение напряжения промежутка база - эмиттер падает, а, следовательно, напряжение на эмиттерной нагрузке — возрастает.

 

 

 

6. Выбор корпуса

В корпусе необходимо разместить:

1. Печатная плата размерами 110 x 130 мм
2. Печатная плата размерами 110 x 70 мм
3. Магнитоэлектрический амперметр размерами 80х200х250 мм
4. Исходя из размеров печатных плат магнитоэлектрического амперметра, выбираем корпус размера габаритами 130х200х250 мм.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

 

1. Е.В. Николаева, В.В. Макаров. Физические основы получения информации.
2. Л.В. Новицкий, И.А. Зограф «Оценка погрешностей результатов измерений», Ленинград, ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, Ленинградское отделение, 1985.
3. В.В.Сазонов  Методические указания к выполнению лабораторной работы «Исследование реостатного датчика линейных перемещений».
4. http://toe-kgeu.ru/automaticelements/165-automaticelements1
5. http://rudocs.exdat.com/docs/index-51355.html?page=2#2404663

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложения

 

Функциональная  схема

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Принципиальная схема

Печатная плата

 

 

 

Печатная плата  блока питания