Перетворювач індуктивність-напруга (стр. 2 из 5)
Згідно ДСТУ 2681-94 „Метрологія. Терміни та визначення” та ДСТУ 2682-94 „ Метрологія. Метрологічне забезпечення ” даний розроблений перетворювач індуктивність - напруга відноситься до первинних вимірювальних перетворювачів
2 Розробка структурної схеми
2.1 Аналіз існуючи методів вимірювання індуктивності
Індуктивність — фізична величина, яка характеризує магнітні властивості електричного ланцюга.
Якщо в провідному контурі тече струм, струм створює магнітне поле. Величина магнітного потока, пронизуючий контур, зв'язана з величиною струму І в такий спосіб:
Φ = LI (1)
Коефіцієнт пропорційності L саме і називається індуктивністю (або, строго говорячи, коефіцієнтом самоіндукції контуру). Індуктивність залежить від розмірів і форми контуру, а також від магнітної проникливості навколишнього середовища.
У системі одиниць СИ індуктивність виміряється в Генрі, у системі СГС у сантиметрах (1 Гн = 109 див)
Через індуктивність виражається ЕРС самоіндукції у контурі, що виникає при зміні в ньому струму:
. (2)При заданій силі струму індуктивність визначає енергію магнітного поля струму:
(3)Практично ділянки ланцюга зі значною індуктивністю виконують у виді котушок індуктивності.
Індуктивність L - величина, рівна відношенню потокощеплення, зв'язаного з контуром, до сили струму, що протікає по ньому:
Індуктивність складається з внутрішньої індуктивності (жили кабелю і проводу) L в і зовнішньої, міжвіткової, індуктивності L і
Одиниця індуктивності генрі (гн) - індуктивність контуру, з яким зчеплений магнітний потік 1 вб, коли по контурі тече струм 1 а, або індуктивність контуру, у якому виникає е.д. с. самоіндукції 1 у при зміні струму в ньому на 1 а в 1 сек.
У якості перетворювача індуктивності у напругу використаємо мостову схему.
Серед мостових схем найчастіше використовується міст Уітстона, схема якого подана на рисунку 1. Міст містить чотири опори Z1, Z2, Z3 і Z4. Точки a, b, c, d називаються вершинами моста. Електричне коло між двома суміжними вершинами називається плачем моста, а між двома протилежними – його діагоналлю.
Рисунок 1 - Принципова схема чотириплечого моста Уітстона
Індуктивність можна вимірювати за допомогою мостів різного типу. На рисунку 2, подано одну з таких схем. Вважаємо, що індуктивність має деякий активний опір (опір втрат). Міст зрівноважується за допомогою змінної зразкової індуктивності L3 і зразкового резистора R3 . Умова рівноваги цього моста
, (6)Звідки
(7)Може бути запропонована й інша схема моста, в якій змінне плече має зразкову ємність, ввімкнену паралельно із зразковим резистором.
Рисунок 2 - Схема моста для вимірювання індуктивностіОскільки на міст необхідно подати напругу, то для її генерації використаємо імпульсний генератор.
Імпульсні генератори – призначені для одержання сигналів, форма яких суттєво відрізняється від синусоїдальної. Такі сигнали характеризуються наявністю ділянок з відносно повільною зміною амплітуди і її стрибковою зміною. Імпульсні генератори мають внутрішній або зовнішній позитивний зворотній зв’язок.
Особливість роботи активних елементів: вони періодично, дуже швидко змінюють свій стан з одного крайнього положення в інше.
Основні режими імпульсних генераторів:
- автоколивальний – після збудження генерується послідовність імпульсів, характеристики яких визначаються лише параметрами елементів схеми;
- очікування – генератори імпульсів відбуваються лише за наявності зовнішнього сигналу запуску;
- синхронізації – частота вихідних імпульсів рівна чи кратна частоті зовнішнього синхронізуючого сигналу.
Формувачі імпульсів – пристрої, які виробляють імпульси необхідної тривалості з інших імпульсів чи з перепаду напруг (фронта).
Формувачі імпульсів бувають:
- на логічних елементах;
- з інтегруючим ланцюгом;
- з емітер ним повторювачем;
- на мікросхемах.
Емітерний повторювач (рисунок 3) має найбільший вхідний опір і найменшого вихідне і використовується для посилення сигналу по струму, коефіцієнт підсилення по напрузі близький до одиниці. Однак це справедливо при досить низькому опорі джерела сигналу і на низькій частоті.
При нескінченно великому опорі джерела сигналу перестає діяти 100% послідовна ООС по напрузі і вихідний опір прагнути до Rвих каскаду з загальним емітером, різко зростає коефіцієнт гармонік, що мінімальний при Rr=0.
Rвх=Rб+(1+h21е)Rн (8)
Rвих=Rе+(Rr+Rб)/(1+h21э) (9)
де Rб - опір бази (1...20 Ом і більш);
h21э - коефіцієнт передачі струму;
Rэ=Fт/Iк(ма);
Fт=25мв - температурний потенціал;
Rr - вихідний опір джерела сигналу.
На рисунку 3 зображено емітерний повторювач
Рисунок 3 - Емітерний повторювач
Вхідний опір різко зменшується у випадку коротких імпульсів і на високих частотах. На високих частотах вхідна ємність повторювача залежить, головним чином, від Сн і грубо може бути оцінена як Сн/h21е. Вихідний опір повторювача на високих частотах може мати індуктивний характер, тому при визначенні Сн емітерний повторювачі можуть давати коливальні перехідні процеси і навіть переходити в режим автогенерації.
Однак найбільш небезпечним наслідком ємнісного навантаження є схильність однотактних повторювачів до нелінійних перекручувань сигналу високої частоти.
На рисунку 4 - емітерний повторювач з підвищеною швидкодією.
Реалізований за рахунок швидкодіючого лінійного позитивного зворотного зв'язку за допомогою транзисторів VT1-VT3.
Рисунок 4 - Емітерний повторювач з підвищеною швидкодією
Завдяки відбивачеві струму на транзисторах VT1, VT3, струми колекторів, а відповідно і струми баз транзисторів VT2 і VT4 рівні. А тому що струми баз протилежні, те і відбувається їхня компенсація, що еквівалентно Rвх, рівному безкінцівки.
На рисунку 5 зображений повторювач із вхідним опором, що прагне до нескінченності.
Рисунок 5 - Повторювач із вхідним опором, що прагне до нескінченності
На рисунку 6 зображений повторювач зі збільшеним вхідним опором, на якому Rвх практично не залежить від h21е.
Рисунок 6 - Повторювач зі збільшеним вхідним опором
2.2 Розробка структурної схеми перетворювача
Рисунок 7 – Спрощена структурна схема
На рисунку 7- спрощена структурна схема,на якій :
МВ – мультивібратор, використовується для того, щоб сформувати імпульси вхідного сигналу з певною частотою. Межі частоти не зазначені в умові, тому задамося частотою f=100кГц.
ПП – первинний перетворювач, призначений для перетворення індуктивності у напругу за допомогою мостової схеми та схеми віднімання на основі ОП.
ПН – підсилювач напруги, призначений для підсилення величини вихідного сигналу по напрузі до заданого в умові. Можна використати підсилювач на БТ.
ПП – підсилювач потужності, використовується для забезпечення потужності на навантаженні. Використаємо комплементарний емітер ний повторював.
2.3 Попередній розрахунок АМВ
Даний каскад використовується для генерування імпульсів зі сталою напругою і частотою. Особливих вимог до даного генератора не висувається.
Для зручності оберемо частоту 100кГц та напругу на виході 5В.
Напруга на виході генератора не повинна бути висока для зменшення похибки. Нехай Uвих=5В, тоді
=(1,2...1,4) Uвих =(6..7)ВЗадамося
= 
В.Гранична частота на виході ОП має бути досить висока.
Визначимо напругу живлення за заданою амплітудою вихідних імпульсів:
Виберемо ОП К547УД1
Основні параметри:
нА вхідний струм 
В максимальна вихідна напруга 
Ом вихідний опір