Датчик мишенного типа

2. Напряжение смещения ОУ, есм. Должно быть существенно меньше входного сигнала. Так при усилении сигнала от усилителя 0…10 В напряжение смещения должно быть хотя бы в 100 раз меньше, т. е. eсм< 0,1 В.
3. Скорость нарастания в холодного напряжения v. Она определяет верхнюю рабочую частоту фильтра:
В нашем случае рабочая частота большая, и это условие выполняется даже для выходного напряжения 10 В. Вычислим минимальное необходимую скорость нарастания выходного напряжения:
4. Входной ток iвх. Входной ток ОУ создаёт дополнительную погрешность, которая должна быть существенно меньше полезного сигнала.
Перечисленным условиям удовлетворяют многое ОУ, например: К140УД6, со следующими параметрами (рисунок 8):
1. Кус = 50 · 103
2. eсм = 8 мВ;
3. iвх = 0.05 мкА;
4. v = 2 В/мкс;
5. Uпит = ±(5…20) В.


Рисунок 8 - Схема ФНЧ с частотой среза 100000 Гц

4. Проектирование преобразователя напряжение-ток.

Преобразователи напряжение-ток обеспечивают в измерительных системах передачу сигналов по длинным линиям.
Согласно заданию, требуется обеспечить выходной ток 4…20 мА. В таком случае используются усилители, в которых нагрузка включается непосредственно в цепь обратной связи ОУ. Простейшие усилители данного типа: инвертирующий и неинвертирующий.
Если в этих усилителях включить нагрузку вместо резистора обратной связи R2, то ток в нагрузке будет равен по модулю:
I=|U/R2|=18/2000=0,009 A.
Усилитель с токовым выходом приведён на рисунке 9. Схема представляет собой усилитель с Т-образным трехполюсником в цепи обратной связи и транзисторным усилителем тока на выходе ОУ. Транзисторы VT1 и VT2 позволяют увеличить выходной ток ОУв h21эраз. Выбор их осуществляется из комплементарных пар (КТ3102 и КТ3107, КТ502 и КТ503 КТ814 и КТ815 и т. д.).
По справочнику выбираем транзисторы КТ814А и КТ815А типа n-p-n со следующими характеристиками:
Uкэ.нас ≤ 0,6 В; Uкэ.нас ≤ 0,6 В;
Iкбо ≤ 0,05 мА; Iкбо ≤ 0,05 мА;
h21э = 40; h21э = 40…70;
Uкб.max = ---; Uкб.max = ---;
Uэб.max = 5 В; Uэб.max = 5 В;
Iк.max = 1,5 А; Iк.max = 1,5 А;
Pк.max = 10 Вт; Pк.max = 10 Вт;
Операционный усилитель выбирается по напряжению питания (Uпит = ±36 В) и максимальному выходному току (не менее 20 мА). Этим условиям удовлетворяет ОУ К140УД6, со следующими параметрами:
1. коэффициент усиления КU= 50 · 103
2. напряжение смещения eсм = 8 мВ;
3. входной ток iвх = 0.05 мкА;
4. скорость нарастания выходного напряжения v = 2 В/мкс;
5. напряжение питания Uпит =±(5…20) В;
6. диапазон входного синфазного напряжения Uвх.синф = ±11 В;
7. минимальное сопротивление нагрузки Rн.min= 1кОм
8. максимальное выходное напряжение Uвых.max = ±12 В;
9. максимальный выходной ток
В схеме рисунка 9 сопротивление резистора R2 определяет величину тока в зависимости от входного напряжения. Резистор R1 лучше выбрать того же номинала (для уменьшения влияния входного тока ОУ). Резисторы R3 и Rн тоже должны быть одинаковы, падение напряжения на них не должно сказываться на формировании выходного тока, т. е. оно не должно быть более Uп - Uвх.max – UКЭ.нас. .Так при Uпит =20 Вследует выбрать Uп = 15 В,напряжение насыщения коллектор- эмиттер можно для большинства транзисторов принять 1…2 В и тогда при Uвх.max =10 В падение напряжения на резисторах R3 и R4 не должно превышать 15 – 10 – 1 = 4 В. Если выходной ток 5 мА, то R3 = Rн=4 /0,005 = 800 Ом.
6. Расчёт стабилизатора напряжения

Так как в нашем случае источник первичного электропитания постоянный, то необходим только стабилизатор напряжения.
Расчёт элементов будем вести для источника +36 В.
Во время работы блока питания на конденсаторах фильтра напряжение пульсирует от максимального Uнест.max до ≈ 0,9×Uнест.max. Часть напряжения (минимум Uкэ.нас) падает на транзисторе стабилизатора, кроме этого надо предусмотреть запас по напряжению на входе стабилизатора на случай уменьшения напряжения в сети. На этом этапе примем напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзистора равным 2 В, так как у большинства кремниевых транзисторов оно лежит в диапазоне от 1 до 2 В. Поэтому напряжение на входе стабилизатора оценим так:
Выберем конденсаторы схемы. Для ёмкостного фильтра следует использовать оксидные конденсаторы, как имеющие большую ёмкость. Для них регламентируется максимально допустимая амплитуда переменной составляющей. Обычно она 5…20 % от постоянной составляющей. Именно поэтому при оценке входного напряжения стабилизатора был использован коэффициент 0.9 (для пульсаций 10%). Для облегчения подбора конденсатора и увеличения срока его службы примем максимальные пульсации на конденсаторах фильтра равными 5%. Расчёт проведём по формуле:

где I = Iн - ток разряжающий конденсатор, в нашем случае это ток нагрузки;
С – ёмкость конденсатора;
∆U – напряжение разряда конденсатора, у нас 5% от постоянного напряжения на нём;
∆t – время, в течении которого разряжается конденсатор, для двухполупериодного выпрямителя это около 10 мс.
Конденсаторы С1 и С2 предназначены для сглаживания пульсаций тока потребления нагрузки и фильтрации помех. В общем случае их расчёт очень сложен, обычно их принимают 0,01…0,1 от ёмкости конденсаторов фильтра. Примем С3 = С4 = 100 мкФ, тип – К50-16, номинальное напряжение – 50 В.
Напряжение на нагрузке больше напряжения на стабилитроне на величину напряжения насыщения база-эмиттер, что составляет около 0,6 В.
Поэтому стабилитрон выберем с напряжением стабилизации 36,6 В
Выберем КС536А с параметрами:
номинальное напряжение стабилизации Uст = 36 В;
максимальный ток стабилизации Iст.max = 23 мА;
минимальный ток стабилизации Iст.min = 1 мА.
Значит, максимальный ток базы может составлять
Iб=0,8Iст max-Iст min=0,8*23-1=17,4 мА
Ток нагрузки представляет собой сумму токов базы и коллектора, поэтому:
максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ.max ≥ 2Uвх ст = 73,2 В;
максимальный ток коллектора Iк.max ≥ Iн = 200 мА;
мощностью рассеяния Pк.max ≥ Pрасс = Uкэ.max × Iн = (Uвх.ст - Uвых)×Iн= (36-20)·0,2 =3,2 Вт;
коэффициент передачи эмиттерного тока h21э ≥ 77,1.
Выбираем полевой транзистор КП801В.
Оба транзистора выделяют большое количество тепла и требуют установки на радиаторы.
Резисторы R1 и R2 должны иметь сопротивление:
принимаем R1 = 1,6 кОм (из ряда Е24).
Мощность, рассеиваемая R1:
По справочнику выбираем резисторы типа МЛТ с номинальной мощностью рассеяния 0,125 Вт (0,034 Вт < 0,125 Вт).
Разработанная схема представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Принципиальная схема стабилизатора напряжения
Заключение

В результате курсового проектирования была разработана схема расходомера мишенного типа с преобразователем тензосопротивление – ток.
Погрешность преобразования схемы не превышает заданной погрешности δпр≤2,0%.
Данная схема полностью удовлетворяет заданным требованиям ТЗ.


Список использованных источников

http://pskgu.ru/ebooks/putilov1/putilov1_09_054.pdf
Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - 2-е изд. перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1988. – 304 с.
Основы промышленной электроники. Руденко В. С., Сенько В. И., Трифонюк В. В.-К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985.-400 с.
Проектирование датчиков для измерения механических величин/ под ред. Е.П. Осадчего . – М.: Машиностроение, 1979. – 480с.
Резисторы: справочник/ В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и д.р.; Под общ. Ред. И.И. Четвертков и В.М. Терехова.-М.: Радио и связь, 1987.-352 с.; ил.
Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Т. 1 - 3. Пер. с англ. - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993.








25



Рисунок 5