Розробка первинного вимірювального перетворювача

4.1.1 Розробка первинного вимірювального перетворювача

Первинний вимірювальний перетворювач крутильних коливань (ПВПКК) включає в себе вал 1 (рисунок 4.2), на який насаджено модулятор 2.

Модулятор має вигляд диску, з чередуючимися прозорими та непрозорими елементами рівної кутової ширини. За модулятором, зі сторони вала, розташована діафрагма 3, за якою встановлено два фотодіода 4, які входять до складу фотоприймачів на основі пари фото діод - операційний підсилювач. Елементи фотоприймачів та інші електронні елементи ПВПКК розташовані на платі 5. Джерело світла 6 з конденсорною лінзою освітлює фоточутливий шар фотодіодів через перехрестя модулятора та діафрагми (його на рисунку 4.2. наведено штриховою лінією). Діафрагма має вигляд пластини з двома отворами 7, зсунутими між собою на кут, рівний 1,5 кутової ширини елементів модулятора, відносно його центру, конфігурація яких визначається радіусами модулятора та концентричними колами, радіусами R₁ та R₂, центр яких співпадає з центром модулятора. Кутова ширина отворів діафрагми дорівнює кутовій ширині прозорих елементів модулятора. При обертанні валу, обертається і модулятор, внаслідок чого прозорі та непрозорі елементи модулятора перекривають отвори діафрагми. При вище вказаній формі отворів діафрагми, площа заштрихованого отвору, через яке світло при обертанні попадає на фоточутливий шар фотодіоду фотоприймача (домовимось називати цей фотоприймач першим, а той, що зсунутий відносно нього на 1,5 - другим), лінійно залежить від кута повороту валу та визначається виразом

, (4.7)

де  - поточний кут повороту заднього в напрямку обертання краю прозорого елементу модулятора, який умовно прийнято за перший, відносно переднього в напрямку обертання краю першого отвору діафрагми (рад),

R₁, R₂ - відповідно більший та менший радіус кола, що обмежує отвір діафрагми. Вихідна напруга фотоприймача, як слідує з виразу (4.6), прямопропорційна площі отвору, через який світло попадає на фоточутливий шар фотодіоду. Після перетворень отримуємо вираз, який зв’язує вихідну напругу першого фотоприймача з кутом повороту :

 (4.8)

При використанні одного фотоприймача, виникають похибки, які обумовлені наступним причинами. По-перше, це похибка первинного перетворення, що виникає внаслідок частотних властивостей фотоприймача. Обмеженість смуги пропускання приводить до згладжування сигналу біля його максимумів та мінімумів (рисунок 4.3, в).

Окрім того, при малих площах отвору, через який світло попадає на

фоточутливий шар фотодіодів, похибка виготовлення отвору діафрагми та елементів модулятора обумовлює виникнення додаткової площі отвору, величина якої мало відрізняється від корисної площі, що значно впливає на точність перетворення кутової швидкості в інформативний параметр сигналу (рисунок 4.3, а). При більших площах отвору, через який світловий потік попадає на фоточутливий шар фотодіодів, вище описане явище проявляється значно менше (рисунок 4.3, б), тобто:

, (4.9)

Рисунок 4.3 - Виникнення похибки первинного перетворення

Похибка, обумовлена цим фактором проявляється біля мінімумів імпульсів напруги на виході фотоприймача. На рисунку 4.3, в показано мінімум вихідної напруги фотоприймача. Суцільною лінією показано реальний випадок, пунктирною — ідеальний.

В розробленому ПВПКК використовується два фотоприймача на основі пари фотодіод - операційний підсилювач, а знімання вимірювальної інформації, з метою виключення проявлення двох вище вказаних факторів, здійснюється з виходу того фотоприймача, вихідний сигнал якого не знаходиться біля свого максимуму чи мінімуму. На рисунку 4.4 наведено функціональну схему ПВПКК, а на рисунку 4.5 наведено часові діаграми його роботи у точках, вказаних на рисунку 4.4.

Перед початком вимірювання, модулятор розташовується відносно діафрагми випадково. При відповідному підборі значень напруг джерел опорної напруги Р1 та Р2, які визначають коломінімумну та коломаксимумну область вихідних сигналів фотоприймачів 1 та 2, можливі їх слідуючи два стани перед початком вимірювань - жоден з вихідних сигналів фотоприймачів не знаходиться на рівні, який відповідає знаходженню його біля свого максимуму чи мінімуму або навпаки.

Рисунок 4.4 - Схема електрична функціональна ПВПКК з зменшенням похибки, що обумовлена частотними властивостями фотоприймача.

Рисунок 4.5 – Часові діаграми роботи ПВПКК

В таблиці 4.1. наведено всі можливі значення вихідних напруг всіх компараторів (В — високий рівень, Н — низький рівень) перед початком роботи. Високий рівень свідчить про знаходження вихідного сигналу відповідного фотоприймача у своїй коломаксимумній чи коломінімумній області. У двох нижніх строках таблиці 4.1 знаком "+" відмічено той фотоприймач, вихідний сигнал якого при наведеному стані компараторів не знаходиться у своїй коломаксимумній чи коломінімумній області. Після включення джерела освітлення, формувачем сигналу "Скид" S (рисунок 4.4) формується сигнал "Скид", який уявляє собою імпульс напруги рівня логічної одиниці, який подається на входи елементів І-НІ, D2 та D3. За заднім фронтом сигналу "Скид" спрацьовує схема запуску об’єкту Р.

Таблиця 4.1 - Початкові значення вихідних напруг компараторів

Перед початком вимірювань необхідно на вихід ПВПКК подати сигнал з виходу того фотоприймача, вихідний сигнал якого не знаходиться у своїй коломаксимумній чи коломінімумній області. Для цієї передустановки служать логічні елементи АБО-НІ D5 — D8, елемент НІ D1, елементи І-НІ D2-D3. Коли компаратори знаходяться у станах 1, 3 або 5 (таблиці 4.1), на виході елементу D8 АБО-НІ з’являється рівень логічного нуля. При цьому, під час дії сигналу "Скид", на виході елементу D2 І-НІ з’явиться рівень логічного нуля, а на виході елементу D3 І-НІ — рівень логічної одиниці. Лічильний тригер Т встановиться в одиницю і до виходу перетворювача буде підключено вихідний сигнал фотоприймача 1. При любих інших станах на компараторі до виходу перетворювача буде підключено вихідний сигнал фотоприймача 2. По задньому фронту сигналу "Скид" спрацьовує схема запуску об’єкту дослідження Р і запускається об’єкт, кутову швидкість якого треба виміряти. Коли сигнал "Скид" відсутній, напруга на установочному вході та вході скиду тригера Т завжди буде рівня логічної одиниці і не буде впливати на його стан. При обертанні вала об’єкта дослідження, трикутні імпульси напруги, які формуються на виході фотоприймачів (рисунок 4.5, a, b), зрівнюються з напругами джерел опорної напруги Р1 та Р2, відповідно U_п1 та U_п2. При співпаданні, на виході одного з компараторів з’являється імпульс позитивної полярності (рисунок 4.5, c, d, f, g). Його тривалість дорівнює тривалості знаходження рівня вихідної напруги фотоприймача вище рівня U_п1 чи U_п2. Вихідні імпульси кожного з компараторів подаються на входи елементу D4 АБО, з виходу якого (рисунок 4.5, h) вони поступають на тактовий вхід лічильного тригеру Т, який змінює свій стан по передньому фронту цих імпульсів, відповідно керуючи аналоговим мультиплексором МХ, підключаючи до виходу датчика вихідний сигнал того фотоприймача, який не знаходиться у своїй коломінімумній чи коломаксимуній області. На виході датчика формується сигнал, який на рисунку 4.5, j показано жирною лінією. Знаходимо рівняння перетворення ПВПКК з зменшенням похибки, що обумовлена частотними властивостями фотоприймача. Залежність вихідної напруги першого фотоприймача від кута повороту описується виразом (4.8). Другий фотоприймач зсунутий відносно першого на кут 1,5. Його вихідна напруга:

, (4.10)

Вирази (4.8) та (4.10) описують рівняння перетворення цього ПВПКК.

В якості операційного підсилювача у складі лінійних фотоприймачів доцільно використати мікросхему операційного підсилювача К544УД2. Обрана мікросхема операційного підсилювача К544УД2 має наступні електричні параметри [10]:

- напруги живлення +/-15 В;

- опір навантаження 2 кОм;

- вхідна напруга 10 В;

- струм споживання 3,5 мА;

- коефіцієнт підсилення 35 10⁶;

- частота одиничного підсилення 1 Мгц;

- вхідний опір 10 10⁶ Ом;

- вхідний струм 0, 15 мА;

- ємність навантаження 500 пФ.

Фотодіод VD1 повинен відповідати наступним вимогам :

- мати велику площину фоточутливого слою, що значно спростить конструкцію перетворювача;

- мати малу постійну часу, що буде обумовлювати широкий частотний

діапазон.

Цим вимогам відповідає фотодіод ФД-155К який має наступні параметри:

- площина фоточутливого слою - 30 мм²;

- постійна часу - 10^-6 с.

До складу ПВПКК, як було вказано вище, входить компаратор напруг. Обираємо компаратор К521СА3, який має наступні характеристики:

- час переключення 30 нс;

- струм споживання 3,5 мА;

- коефіцієнт підсилення 35 10⁶;

- частота одиничного підсилення 1 МГц;

- вхідний опір 10 10⁶ Ом;

Тому як на його виході треба формувати імпульси ТТЛ рівня, використовуємо для нього однополярне джерело живлення +5В. Опорну напругу точно виставити можна тільки при настройці фотоприймача, тому для цього використовується резистор змінного опору.

У графічній частині дипломного проекту наведено електричну принципову схему ПВПКК та його збірне креслення.