Учебная работа. Проектирование измерительного микроскопа

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Проектирование измерительного микроскопа

Курсовой
проект

по
дисциплине: "Прикладная оптика

“Проектирование
измерительного микроскопа ”

ВВЕДЕНИЕ

Микроскоп — оптическая система для получения
увеличенных изображений микро объектов с целью их измерения и изучения
параметров. С помощью микроскопов определяют форму, размеры, строение и многие
другие характеристики микрообъектов, а также микроструктуру объектов.
Микроскопы находят широкое применение в медицине, ювелирной промышленности и
других областях техники, где необходимо наблюдать и исследовать объекты,
невидимые невооружённым глазом. По своему функциональному назначению микроскопы
делятся на наблюдательные и измерительные.

Микроскопы бывают: оптические, электронные,
рентгеновские, дифференциальные интерференционно-контрастные микроскопы. В
данной работе нами проектируется измерительный микроскоп.

Оптическая система микроскопа в основном состоит
из — объектива и окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на
металлическом основании, на котором имеется предметный столик.

Цель данного курсового проекта — расчет ОС
измерительного микроскопа в соответствии со следующими техническими
требованиями:

-Гх

,ммD´, ммt´, ммΔ,мм

150

160

>1

>7

0,01

.       

предварительный ГАБАРИТНЫЙ РАСЧЕТ МИКРОСКОПА

При габаритном расчете нужно определить тип
объектива и окуляра, которые будут удовлетворять заданным условиям. Располагая
данными о параметрах оптических элементов и следуя принципу максимальной
унификации элементов разрабатываемого прибора, осуществляем выбор готового
окуляра и объектива. Выбор производится по каталогу. Объектив микроскопа обычно
представляет собой линзовую систему (несколько линз, в том числе и склеенные),
окуляры могут выполняться по схемам Кельнера, Эрфле, Симметричного окуляра,
Рамсдена, Гюйгенса и др.

исходными данными для расчета являются наиболее
важные параметры оптической системы микроскопа, к ним относятся: видимое
увеличение, диаметр выходного зрачка, положение выходного зрачка, допустимый
коэффициент виньетирования наклонного пучка лучей. В результате расчета
необходимо получить данные для разработки чертежа оптической системы
конструктивные параметры и марки стекол всех элементов системы, диаметры и
положение диафрагм, расстояния между элементами и др.

Задачей габаритного расчёта оптической схемы
прибора является:

1)   Обоснование
функциональной схемы микроскопа и нахождение рациональной схемы ОС. Определение
положения в оптической схеме пластинок ,зеркал, призм, а также их размеров.

2)   Определение
фокусных расстояний относительных отверстий и полей зрения объектива, окуляра и
других компонентов, входящих в систему, и нахождение их взаимного расположения
и диаметров.

3)   Обоснование
объектива и окуляра. Определение положения зрачков и диафрагм.

1.1 Обоснование
функциональной схемы микроскопа

Функциональная схема микроскопа, согласно
принципам построения таких систем, содержит: объектив, окуляр, апертурную и
полевую диафрагмы (рис.1).

Объектив строит промежуточное действительное
изображение в плоскости полевой диафрагмы. Окуляр предназначен для согласования
объектива и глаза. Апертурная диафрагма ограничивает ширину пучка лучей
выходящих из осевой точки предметной плоскости.

Рис.1. функциональная схема микроскопа

Расчетная схема (рис.2) может быть получена из
функциональной если заменить компоненты конечной толщины условно тонкими. кроме
того на расчетной схеме показаны фокусные расстояния, оптический интервал и
другие расстояния.

Рис. 2. Расчетная схема микроскопа

1.2 Обоснование
компонентов микроскопа

При проектировании микроскопа на первом этапе
обосновываем объектив, для этого рассчитываем числовую апертуру:

Тогда из каталога выбираем объектив
с подходящей числовой апертурой и длиной тубуса. Этому требованию удовлетворяет
объектив М-42,параметры которого приведены в табл.2, а схема показана на рис.3.

Конструктивные параметры объектива М-42 Таблица
2

r, мм

d, мм

n

марка
стекла

1

1

8,95

1,6475

ТФ1

2

-8,93

1,5181

КФ4

13,73

144,4

1

1

13,87

1,6475

ТФ1

2

-13,81

1,5181

КФ4

Рис.3. Cхема
объектива М-42

Апертурный угол σА
определяем по формуле:

σА
= arcsin NA. (1)

σА = -arcsin
0,2 = —.

Оптический интервал  (рис.3.)
определяем по формуле:

Δ = -βоб fоб. (2)

Δ = 8·18 = 144 мм.

Определим положение предметной
плоскости zоб по
формуле:

об = -(fоб)2/Δ, (3)

Вычисляем числовую апертуру
объектива в пространстве изображений по формуле:

NA/ = NA / -βоб. (4)

/ = 0,2/ 8 = 0,025;

σА = arcsin
NA/ = arcsin
0,025 = 1,43º.

Определим линейное поле микроскопа
по формуле:

микроскоп оптический
окуляр объектив

2ум = DПД / -βоб, (8)

где DПД = 10 мм
(см. табл.3).

ум = 10 / 8 = 1,25 мм.

Определим диаметр апертурной
диафрагмы DАД согласно
выражению:

АД = 2Δ tg σА. (5)

АД = 2 · 144· tg 1,43º =
7,20 мм.

выбираем окуляр, для этого находим
видимое увеличение  и фокусное расстояние f1ок окуляра
по формулам:

Гок = -Гм / βоб, (6)

`ок = 250 / Гок. (7)

Гок = 150 / 8 = 18,75х ,

f `ок = 250 /
18,75 = 13,3 мм.

Из каталога окуляров [1] выбираем
окуляр. Вышеуказанным требованиям, наиболее хорошо, удовлетворяет окуляр
Гюйгенса, параметры которого занесены в табл. 3,схема представлена на рис.4.

Конструктивные и оптические
параметры окуляра Гюйгенса

Таблица 3

r, мм

d, мм

n

Оптические
параметры

18,29                                       fок=25,01 мм;
Гок=15х; 2ωок=2;

DПД= 10 мм;

 мм;

=4,9 мм;

 

3,98

1,5183

25,17

1

9,45

1,25

1,5183

Рис.4. Схема окуляра Гюйгенса

Рассчитаем коэффициент подобия по формуле:

К= /=18,75/15=1,25

Учтём коэффициент подобия для
пересчета параметров окуляра Гюйгенса, данные представлены в табл.4

Конструктивные и оптические
параметры окуляра Гюйгенса

Таблица 4

r, мм

d, мм

n

Оптические
параметры

22,86                                       fок=31,26 мм;
Гок=15х;
2ωок=32,; DПД=10 мм;

=5,34 мм;

=6,13 мм;

 

4,38

1,5183

31,46

1

11,81

1,25

1,5183

Вычислим диаметр выходного зрачка по формуле:

/ = DАД
z/ / fок.
(9)

/ = 7,2· 6,79 / 31,26 мм = 1,56 мм.

найденное значение диаметра выходного зрачка
удовлетворяет требованию ТЗ, D/
>1 (табл.1).

Вычислим световые диаметры линз окуляра Dсв,1
и Dсв,2 , по формулам:

, (10)

Dсв,2 = 2 tg ωок + D/. (11)

,

Dсв,2 = 2 ·
12,13· tg (32,5º/2) + 1,56
мм
= 8,7 мм.

диаметры линз объектива рассчитываем
по формуле:

мм,

мм.

1.3 Выводы

) Выполненные расчеты позволили обосновать
объектив и окуляр микроскопа, являющиеся основными компонентами.

) Проведенные расчеты позволили также определить
продольные и поперечные размеры ОС микроскопа.

) полученные результаты позволяют разработать
принципиальную схему микроскопа.

Рис.5. принципиальная схема микроскопа

Таблица 4

Конструктивные параметры микроскопа

Наименование

d, мм

D, мм

n

r, мм

Объектив

1

Линза

1,0

5,6

1,6475

8,95

2

Линза

2,0

1,5181

-8,93

-8,93

3

Линза

1,0

3,2

1,6475

144,4

13,87

4

Линза

2,0

1,5181

13,87

-13,81

Окуляр

5

Линза

3,98

1,5183

22,86

6

Линза

1,3

1,5183

11,81

2.исследование ОС ОБЬЕКТИВА НА ЭВМ. РАСЧЕТ
траектории ЛУЧА ЧЕРЕЗ ОС. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

— число оптических поверхностей(I) и DL(I) —
радиус кривизны и диаметр оптич. пов-ти(I) — эксцентриситет i-ой поверхности(I)
— расстояние от (i-1)-ой до i-ой поверхности(I) и N(P1) — показатель
преломления среды до i-ой пов-ти и в

пространстве изображенийи T — диаметр и вынос
входного зрачка ОС- расстояние от 1-ой пов-ти до предметной пл-ти- относит.
координата окр-ти на вх-ом зрачке- угловая координата меридиональной пл-ти-
координата т-ки в предметной пл-ти или координата

луча в пространстве предметов ( при S1=0 )

исходные данные вводить с учетом правила знаков.
При этом, если

предметная пл-ть расположена на бесконечности,
вводить S1=0 и YA в

градусах; для плоской поверхности принять
R(I)=0.

Расстояние D(1) от 1-ой до 0-ой поверхности
принять равным (-Т).

Введите P,S1,T:6,-9,0

Введите N(P1),DA:1,6.65

Введите
I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):1,0,0,1,5.91,0

Введите
I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):2,8.95,1,1.6475,5.91,0

Введите
I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):4,144.4,13.73,1,12.32,0

Введите
I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):5,13.87,1,1.6475,12.32,0

Введите
I,R(I),D0(I),N(I),DL(I),E(I):6,-13.81,2,1.5181,12.32,0

кардинальные злементы ОС:’= 18.18049 мм; s’F’=
5.83564 мм; sF=-6.7065 мм

увеличения ОС: B=-7.926961 ; Bзр= 2.710878

Удаление пл-тей предметов и изобр: s=-9 мм; s’=
149.9517 мм

Удаление вх-го и вых-го зр-ов: t= 0 мм;
t’=-43.44946 мм

диаметр вх-го и вых-го зр-ов: D= 5 мм; D’=
13.55439 мм

Рассчет аберрации для апертурного луча:

Координаты точки и луча на входном зрачке:= 2.5
мм; M = 0 мм;

Координаты точки и луча на i-ой поверхности

I Y мм
X мм
Z мм

+1.0000E+00 +2.5000E+00 +0.0000E+00
+0.0000E+00

+2.0000E+00 +2.7351E+00 +0.0000E+00
+4.2817E-01

+3.0000E+00 +2.9597E+00 +0.0000E+00
-5.0473E-01

+4.0000E+00 +4.9642E+00 +0.0000E+00
+8.5355E-02

+5.0000E+00
+5.0975E+00 +0.0000E+00
+9.7066E-01

+6.0000E+00
+5.1033E+00 +0.0000E+00
-9.7751E-01

Координаты точки в плоскости изображений:’A’=
0.1109047 мм; X’A’= 0 мм;

Координаты точки и луча на входном зрачке:= 0
мм; M = 0 мм;

Координаты точки и луча на i-ой поверхности

I Y мм
X мм
Z мм

+1.0000E+00 0.0000E+00 +0.0000E+00
+0.0000E+00

+2.0000E+00 — 4.0412E -02
+0.0000E+00 +9.1195E-05

+3.0000E+00 -1.2886E — 01
+0.0000E+00 -9.2971E-04

+4.0000E+00 -9.4918E — 01
+0.0000E+00 +3.1195E-03

+5.0000E+00
-9.8387E — 01 +0.0000E+00
+3.4940E-02

+6.0000E+00
-1.0658E +00 +0.0000E+00
-4.1189E-02

Координаты точки в плоскости
изображений:’A’=-4.752703 мм; X’A’= 0 мм;

2.1 Расчет
конструктивных параметров

На первом этапе рассчитали конструктивные
параметры системы, расчет выполняем на ЭВМ, с помощью программы «LUCH-D »,
разработанной на кафедре ОЭС. исходными данными для расчета являются
рассчитанные ранее параметры оптической системы.

Рассчитанные на ЭВМ конструктивные параметры
объектива представлены в табл.5 Таблица 5

Параметр

Расчет(ЭВМ)

Расчет(ручной)

,мм18,1818

,мм5,835

,мм-6,706,13

-7,92

8

S,мм

-9

-8,6

t,мм

0

0

D,мм

5

5,34

,мм149,95144,8

,мм-43,450

,мм1,56>1

Из таблицы следует, что результаты ручного и
машинного расчетов незначительно различаются.

3. ВЫВОДЫ

Результатом данного курсового проекта разработан
измерительный микроскоп, включающий в себя окуляр Гюйгенса и объектив M-42.
Данный микроскоп является прибором для линейных измерений микрообъектов.
Значения рассчитанных и полученных на ЭВМ кардинальных элементов не совпадают в
следствие того, что имеется погрешность вычислений, не полностью
соответствующий тип окуляра для данного микроскопа и др.

список ЛИТЕРАТУРЫ

1.       Бегунов
Б.Н и др. Теория оптических систем. — М: Машиностроение,1981.

2.      Гавриленков
В.А. Теория и элементная база оптических приборов. Смоленск: 1996-144 с.

.        Гавриленков
В.А. Проектирование оптических систем. М.:МЭИ,1994.-97с

.        Гавриленков
В.А., Широких Т.В. Оформление конструкторской документации в оптике и
электронике. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию.
М.:МЭИ,1992.-63 с.

Учебная работа. Проектирование измерительного микроскопа

Учебная работа. Проектирование измерительного преобразователя тока в напряжение на основе трансформатора тока и операционного усилителя

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Проектирование измерительного преобразователя тока в напряжение на основе трансформатора тока и операционного усилителя

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему «Проектирование измерительного преобразователя тока в
напряжение на основе трансформатора тока и операционного усилителя»


исходные
данные

Спроектировать
измерительный преобразователь тока в напряжение на основе трансформатора тока и
операционного усилителя(ОУ).

разработать и
описать схему, исследовать погрешность, вносимую трансформатором тока.

Пояснительную
записку оформить в соответствии с действующими стандартами.

Исходные данные для
расчёта трансформатора тока:

превичный ток                                                                     0
— 5А,

вторичнй ток                                                                        2
мА,

напряжение на входе
ОУ                                                     0 — 10 В,

сопротивление
нагрузки не менее                             2 кОм,

погрешность не
более                                                0,2%

чатсота                                                                                  50
± 10% Гц,

сталь                                                                            80
НХС



Введение

последние годы
характеризуются широким внедрением в энергетику и другие отрасли хозяйства
полупроводниковой техники, которая всё чаще реагирует на мгновенные значения
токов и напряжений, что выдвигает новые требования к трансформаторам и другим
устройствам автоматики. Возрастание требований к точности измерений тока и
напряжения в энергетике связано также с ростом единичной мощности энергоблоков,
с увеличением уровня передаваемой мощности и с повышением сложности задач
решаемых автоматикой. особенно актуальна задача оптимизации промежуточных
трансформаторов, устройств ввода тока и напряжения в современные измерительные
преобразователи (ИП), где эти трансформаторы по погрешностям и габаритным
размерам являются определяющими.

Измерительным
преобразователем (ИП), согласно ГОСТу, называется средство измерения,
предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной
для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не
поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Выходным сигналом в
аналоговых ИП может быть постоянный ток или напряжение, частота и ряд других
информативных параметров. В цифровых преобразователях выходным сигналом
является код. Все используемые сейчас в энергетике измерительные
преобразователи мощности имеют токовый выходной сигнал ±5 мА.

На выбор структуры
ИПАМ и схемных решений существенно влияет частота сигналов контролируемой цепи.
Для энергетических преобразователей номинальная частотa входных сигналов 50 Гц, а
максимальное отклонена от этого значения ±5 Гц. Входные сигналы ИПАМ не
содержат постоянной составляющей и являются выходными сигналами высоковольтных
измерительных трансформаторов тока (ВТТ) и напряжения (ВТН), имеющих
стандартные номинальные значения выходных сигналов 100В для ВТН и 1 или 5 А для
ВТТ.

К ВТТ и ВТН
подключается значительное количество измерительных преобразователей и устройств
защиты и автоматики, в силу чего схемы всех подключаемых устройств должны
обеспечивать гальваническую развязку выходных и входных цепей, а также входных
цепей между собой.



1.
Устройства ввода тока

Устройства ввода тока.
Использование ПТТ в качестве УВТ в течение многих лет было оправдано малой
мощностью, потребляемой от ВТТ, так как первичная обмотка ПТТ представляет
собой один виток, продетый в окно сердечника. При переходе к микроэлектронной
элементной базе резко уменьшился вторичный ток, а значит, возросло число витков
вторичной обмотки. При этом габаритные размеры ПТТ уменьшились мало, поскольку
сечение вторичной обмотки невозможно неограниченно уменьшать, возросла индуктивность
рассеяния которую трудно точно оценить. Кроме того, появилась проблема ввода
вторичною тока ВТТ в ИПАМ через разъем к ПТТ, расположенному па печатной плате.
простое решение, изображенное на рис. 1.1, а, не имеет преимуществ по сравнению
с представленным на рис. 1.1, б, так как согласно расчетам минимум погрешности
при этом же сердечнике ПТТ имеет место при  и ,
т.е. в схеме рис. 2.1.1, б.

Рис. 1.1 Схемы УВТ

В результате
определенное время в СССР (Ф5139) и за рубежом в основном использовалось
решение по схеме рис. 1.1, в, где применен шунт с параллельным ПТН. Шунт с
сопротивлением 0,02-0,1 Ом крепится на задней стенке ИПАМ, и внутрь ИП к ПТН, расположенному
на печатной плате, подводится напряжение шунта. Присоединение токовых цепей ВТТ
к шунту осуществляется винтами и доступно наблюдению. ПТН может быть выполнен
на сколь угодно малый вторичный ток, и при тех же габаритах, что и ПТТ, его
погрешность значительно меньше. Расположение шунта на задней стенке ИПАМ
приводит к более быстрому установлению теплового режима внутри корпуса, так как
основной источник тепла находится вне ИП. Шунт изготовляется из манганина и
может быть выполнен очень стабильным. Ряд заводов имеет большой опыт
изготовления стабильных шунтов для измерительных приборов, разнообразных мостов
и потенциометров. Однако решение по рис. 1.1, в. не идеально. Его использование
увеличивает потребление от ВТТ. Так, в Ф5139 при номинальном токе  и
сопротивлении шунта 0,1 Ом оно составляет 2,5 Вт на фазу. Усложнился при таком
решении переход к другому номинальному значению первичного тока. При переходе к
одноамперным ВТТ должен использоваться шунт с сопротивлением 0,5 Ом, чтобы не
изменять параметры ПТН.

С повышением надежности
и снижением стоимости интегральных ОУ появилась возможность решения проблем
построения УВТ и повышения их качества. На рис. 1.2 представлена схема УВТ, в
которой осуществляется электронная компенсация погрешностей ПТТ. Причиной
погрешности трансформатора тока является конечное значение тока намагничивания,
определяемое значением .

Рис. 1.2 Схема УВТ c электронной компенсацией погрешностей ПТТ.

Если уменьшить  при
неизменных параметрах ПTT,
уменьшится погрешность. Максимальное связано монотонной
зависимостью максимальной индукцией  в сердечнике.
следовательно, уменьшая последнюю, мы снижаем погрешность. В пределе
справедливо такое утверждение: если ток  подбирать так, что  точно
равно в любой момент ,
то  и
погрешность ПТТ отсутствует. Эта идея реализована в схеме рис. 1.2

Если первичные
ампер-витки  не
точно равны вторичным ,
сердечник ПТТ начинает перемагничиваться и на обмотке  появляется
напряжение, которое усиливается ОУ. Это приводит к такому изменению тока ,
что напряжение на обмотке  уменьшается.
При значительном усилении и широкой полосе пропускай ОУ напряжение на обмотке  очень
мало и достаточно точно выполняется условие

         (1.1)

напряжение
преобразователь фильтр трансформатор

основные
преимущества схемы рис. 1.2 очевидны. высокая точность обеспечивается даже при
сердечниках ПТТ из низкокачественных ферромагнитных материалов, что позволяет
использовать дешевые и технологичные ферритовые сердечники горшкообразной
конструкции. Со стороны выхода УВТ (рис. 1.2) сохраняет свойства источника тока
как и схема рис. 1.2, б, в отличие от схемы рис. 1.2 в. последнее свойство
позволяет включать на выходе УВТ нелинейные сопротивления без увеличений
погрешности. например, при коммутации выходного тока ключами их сопротивление
не влияет на точность преобразования. В схеме рис. 2.2 вновь возникает проблема
соединения ВТТ с ПТТ. Все чаще один измерительный элемент используется для
выполнения нескольких различных функций. Одновременно преобразуются активная и
реактивная мощность, ток, измеряется его направление и т.д. В схеме рис. 1.2.в,
к выходу ПТН, а в схеме рис. 1.2 к выходу ОУ можно подключить параллельно входы
нескольких независимых ИП, взаимно влияние которых очень мало из-за низкого
выходного сопротивления ОУ и ПТН.

УВТ с электронной
компенсацией пока не использовались в промышленных отечественных ИПАМ, но
решения уже заложены в новых разработках.

2. Фильтр низких частот

Активные фильтры
находят широкое применение в измерительной аппаратуре. При построении активных
фильтров возможны два подхода. Во-первых, можно использовать классическую
теорию LC-фильтров, но вместо реальных катушек индуктивности применять так
называемые схемные индуктивности. Во-вторых, южно сразу проектировать фильтры
без индуктивности. Второй подход обеспечивает получение более компактных
устройств, поэтому он применяется гораздо чаще.

Активные фильтры
состоят из ОУ, работающих в линейном режиме, и пассивных элементов.
Передаточные функции таких цепей представляют собой отношение двух операторных
полиномов. Апроксимация характеристик активных фильтров сводится к выбору таких
коэффициентов этих полиномов, которые обеспечивают наилучшее в том или ином смысле
приближение к желаемым амплитудно-частотной (АЧХ) или фазо-частотной (ФЧХ)
характеристикам фильтра.

Наиболее широко
применяются следующие типы активных фильтров, отличающиеся друг от друга
подходом к нахождению наилучшей аппроксимации: фильтры Баттерворта, Чебышева,
инверсный Чебышева, эллиптический, Бесселя.

идеальный фильтр нижних
частот (ФНЧ) пропускает с одинаковым коэффициентом (равным, например, единице)
колебания, частота которых лежит в диапазоне от нуля до некоторой частоты среза
.
Вне этого частотного диапазона идеальный фильтр имеет коэффициент передачи,
равный нулю. однако идеальный фильтр физически нереализуем.

.
Унифицирующее устройство выходного сигнала ИПАМ

Выходные сигналы
всех ИП, должны удовлетворять требованиям ГОСТа, т.е. должны быть
унифицированы. Для ИП, выходным информативным параметром которых служит среднее
следующие унифицированные
сигналы: напряжение ±10 В при нагрузке 2 кОм, ток ±5мА при нагрузке 0-2 кОм и
ток ±1мА при нагрузке 0-10 кОм. однако от ИП, используемых в энергетике, и
частности для ИПАМ, часто требуется большая нагрузочная способность.
Преобразователи с выходом по напряжению должны допускать уменьшение
сопротивления нагрузки до 1-0,5 кОм, преобразователи с токовым выходом 5 мА
должны допускать увеличение сопротивления нагрузки до 2,5-3 кОм.

Для унификации
выходных сигналов ИПАМ применяются выходные унифицирующие усилители (УУ),
которые строятся на ОУ. В ранних выпусках ИПАМ, например Е728, первых выпусках
Е748, унифицирующие усилители строились на дискретных элементах. В настоящее
время УУ всех выпускаемых ИПАМ (Е748, Е 829, Ф 5139, ИПАМ-301) строятся на
основе интегральных ОУ.

Выходной сигнал ИПАМ
с выходом по напряжению унифицируется с помощью инвертирующего усилителя или
неинвертирующего усилителя. Применение первого предпочтительнее, так на
нем проще осуществить суммирование выходных сигналов множителей ИПАМ, однако
инвертирующий усилитель нагружает множители. Неинвертирующий усилитель
целесообразно использовать, если МУ ИПАМ имеют высокое выходное сопротивление,
но в этом случае затруднено суммирование их выходных сигналов. Коэффициент
усиления УУ выбирают из условия обеспечения выходного напряжения равным
нормирующему значению сигнала ГОСТ при номинальных входных сигналах ИПАМ. Если
нагрузочная способность ОУ (5 мА) оказывается недостаточной, применяют
умножающие каскады на основе эмиттерных повторителей.

В большинстве
случаев в ИПАМ требуется получение унифицированного токового сигнала
преимущественно с выходным током 5 мА.

Для получения
унифицированного токового сигнала используются преобразователи напряжение-ток
(ПНТ). Простейшим ПНТ может служить инвертирующий усилитель на ОУ, если
считать, что цепь обратной связи ОУ является выходной цепью ПНТ, а резистор  —
нагрузочным резистором. действительно, ток в цепи обрати связи ОУ не зависит от
сопротивления цепи обратной связи и определяется только входным током, равным
.
Эта схема позволяет легко суммировать входные сигналы, ток
нагрузки в этом случае

, | (3.1)

но имеет низкий
коэффициент усиления по току, равный 1. Для увеличения последнего применяют
схему рис. 3.16. здесь нагрузка включена между выходом ОУ, и средней точкой
делителя, образованного резисторами , .
ток нагрузки для этой схемы определяется выражением

 (3.2)

При надлежащем выборе
отношения  выходной
ток может намного превышать входной ток


4.
Расчёт устройства ввода тока, выполненного на промежуточном трансформаторе тока

Рассчитываем сечение
первичной обмотки .

Сечение провода
определяется максимальным действующим значением длительно протекающего в
обмотке тока и допустимой плотностью тока:

 

=;    

т. к. ,
а ,

то ;

Таблица 1 — параметры
тороидального сердечника

Габаритные размеры магнитопровода

Справочные данные

D1

D2

d

a

Sct

Q0

Q0*Sct

lст

G

мм

мм

мм

см2

см2

см4

см

г

мм

ОЛ20/25-5

20

25

5

2,5

0,1

3,14

0,314

7,05

5,7

5,0

ОЛ20/28-5

20

28

5

4

0,16

3,14

0,504

7,55

10,75

5,0

ОЛ22/30-5

22

30

5

4

0,16

3,8

0,534

8,16

11,62

5,0

количество витков первичной обмотки:
W1= 1

Первичный виток проходит снаружи
вторичной обмотки в технологическом отверстии тороидального сердечника, а
остальное место в окне сердечника целесообразно полностью заполнить вторичной
обмоткой. Откуда сечение провода вторичной обмотки определяется из условия
заполнения окна сердечника обмоткой:


                                                (2)

где km=0.2%.

количество витков вторичной обмотки
определяется по формуле:

        (3)

Длина меди определяется
по формуле:

;    (4)

габаритные размеры
магнитопровода  и
 находим
из таблицы параметров тороидальных сердечников (Таблица 1);

— коэффициент укладки,
находим из соответствия сечения провода из меди  и коэффициента укладки по
таблице параметров обмоточных проводов стандартного сечения (приложение 3).

Амплитуду номинальной
индукции  находим
из выражения

, (5)

где ;

.

Определяем максимальное
значение погрешности  по
формуле:


. (6)

Для получения значения
погрешности в процентах, рассчитанное значение необходимо умножить на .
Таким образом конечная формула для значения фазовой погрешности примет вид:

,       (7)

При этом должно выполняться условие,
что расчетная погрешность должна быть меньше допустимой (заданной), но
максимальной из рассчитанных по принятым типоразмерам сердечника.

Т.е. .  (8)

Функцию  для
стали 80НХС находим по формуле:

,       (9)

рассмотрим несколько вариантов
расчетов типоразмеров сердечника:

сердечник ОЛ20/25-5:

Определяем длину меди по
формуле (4):


Амплитуду номинальной
индукции  находим
по формуле (5):

,

,

%

сердечник ОЛ20/28-5:

Амплитуду номинальной
индукции  находим
по формуле:

Функцию  для
стали 80НХС найдем из формулы(9):


,

,

%

сердечник ОЛ22/30-5:

Амплитуду номинальной
индукции  находим
по формуле:

Функцию  для
стали 80НХС найдем из формулы(9):

,

,

%

Выполним проверку
условия(9):


,

,

таким образом, из выше
перечисленных данных и заданного условия (9) можно сделать вывод что
поставленным требованиям удовлетворяют все 3 рассмотренных типоразмера
сердечника: ОЛ1/25-5, ОЛ20/2-5 и ОЛ22/30-5; но исходя из экономических
соображений мы выбираем типоразмер ОЛ20/25-5.


Заключение

В данной курсовой работе
мы спроектировали измерительный преобразователь тока в напряжение на основе
трансформатора тока и операционного усилителя.

Разработали структурную
и принципиальную схеме измерительного преобразователя тока в напряжение более
подробно ознакомились с принципом действия рассматриваемого устройства.
Произвели расчёт измерительного трансформатора тока.

В теоретической части
рассмотрены элементы, которые входят в состав преобразователя тока в
напряжение.

В результате расчёта
промежуточного трансформатора тока мы пришли к выводу мы пришли к выводу, что
нам необходим тороидальный сердечник ОЛ 20/25-5, т. к. он удовлетворяет всем
необходимым требований (вносимая погрешность не более 0,2%).


используемые источники
информации

1.  Кизилов В.У. Проектирование измерительных трансформаторов тока
и напряжения, трансформаторов и дросселей переменного тока устройств автоматики
энергосистем. Харьков, ХПИ, 2000.

2.      Кизилов В.У., Максимов В.М., Смилянский И.И. Измерительные
преобразователи активной мощности энергообъектов. Высшая школа, 1983.

.        Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных
устройствах. — М.: Энергия, 1988.

Учебная работа. Проектирование измерительного преобразователя тока в напряжение на основе трансформатора тока и операционного усилителя