МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»»

В.В.НОСОВ

Основы конструирования приборов и экспериментальных установок

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2012

УДК 681.2 : 621.8 /07/

Н 845

Носов В.В. Основы конструирования приборов и экспериментальных установок: Учебное пособие / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». - 139 с.

В учебном пособии рассмотрены стадии разработки приборов, методология конструирования, изложены основы теории, расчёта и констру­иро­ва­ния приборов, использующих при выполнении своих функ­ций, главным образом, механические эффекты и устройства. Рассмо­трены принципы про­ек­­тирования приборов, струк­тура и основы кине­ма­ти­ческого, динами­чес­кого, точностного, прочностного расчёта их механиз­мов, вопросы компоновки, стандартизации и унификации; конструкторские методы повышения жесткости и надежности; особенности конструирования соединений, типовые узлы и устройства приборов структура и принцип действия, защита приборов от внешних воздействий; структура и принципы расчёта основных элементов экспериментальной установки по иссле­до­ванию проч­ност­­ных свойств конструкционных материалов.

Пособие рекомендуется для студентов приборостроительных и технических специаль­ностей вузов.

Введение

1.Значение приборов и экспериментальных установок в науке и технике

К качеству продукции и экологическим условиям её производства предъявляются всё более высокие требования. Для их удовлетворения необходимо совер­шенст­вование изготовительных и ремонтных технологий, повышение надёж­­нос­ти изделий как на стадии их конструирования, так и исполь­зования. Реали­зация этого возможна только на основе контроля пара­мет­ров технологических и эксплуата­ционных процессов, оценки свойств изделий и прове­дения определён­ных экспери­ментальных исследований. Для получения объектив­ной информа­ции о критериях оптимизации конструк­торских работ и техноло­гических процессов, о связи конструктивных и техно­ло­гических параметров с параметрами состояния изделий использу­ют­ся приборы и экспериментальные установки.

Приборами называются устройства, осуществляющие функции измерения, контроля, счёта, учёта, вычисления, регистрации, блоки­ровки, защиты, настройки, регулирования, управления и т. п. с целью облегчения труда человека и повышения его производительности.

Экспериментальной установкой называется устройство, предназна­чен­ное для получения наиболее полной информации об исследуемом явлении или процессе на основе достаточно точных измерений в условиях адекватного их воспроизведения, макси­маль­но удобного за ними наблюдения и возможности оперативного управления.

В основе работы приборов и экспериментальных установок лежит процесс измерения. Этот процесс характеризуется, с одной стороны, воспри­ятием измеряемой физической величины, а с другой - присвоением ей определённого числового значения.

Измеряемая (первичная) величина в общем случае изменяется во време­ни. Это изменение воспринимают чувствительные элементы средств измере­ний и преобразуют их во вторичную (механическую, электрическую или оптическую) величину на основе физического закона, однозначно опреде­ляющего связь между первичной и вторичной величинами. Вторич­ная вели­чи­на обычно непригодна для непосредственной выдачи в виде источника изме­рительной информации, поэтому она усиливается или преоб­разуется в другую величину, пригодную к выдаче или дальнейшей обработке.

Методы измерения, а также выполнения приборами других функций, можно классифицировать с различных точек зрения. Ниже во внимание приняты наиболее важные отличительные признаки.

По методам измерения приборы разделяются на приборы прямого, кос­вен­ного, аналогового и цифрового измерения.

По принципу измерения (совокупности физических явлений, на исполь­зо­ва­нии которых основано измерение) приборы разделяются на механи­чес­кие, оптические, электрические, пневматические, комбини­рованные и др.

По назначению приборы разделяются на:

- измерительные приборы, служащие для прямого или косвенного срав­нения измеряемой величины с единицей измерения (манометры, термо­метры, гальванометры, тахометры);

- контрольные приборы, при помощи которых определяется, нахо­дится ли значение контролируемой величины в заданных пределах или нет (при­бо­ры контроля веса, размеров, величины электрического сопротивления);

- регулирующие приборы, служащие для автоматического поддер­жания значений регулируемой величины в заданных пределах (регу­ляторы скорос­ти, давления, температуры);

- управляющие приборы, служащие для изменения величины какого-либо параметра по заранее заданной программе;

- счётные приборы и вычислительные устройства, осуществляющие авто­матические операции (счётчики, интеграторы, суммирующие устройства);

- специальные приборы, применяющиеся при научных исследо­ваниях в экспериментальных установках и в установках специального назначения.

По точности передачи информации приборы классифицируются на:

- приборы технической точности с ошибкой в положении ведомого звена до 0,2 мм при поступательном его перемещении, или до 30’ при угловом перемещении;

- приборы высокой точности с ошибкой в положении ведомого звена до 0,05 мм при поступательном его перемещении, или до 20” при угловом перемещении;

- приборы сверхвысокой точности с ошибкой в положении ведомого звена до 0,001 мм при поступательном его перемещении, или до 1” при угловом перемещении.

По характеру применения приборы разделяются на лабораторные, цеховые, военные, космические, шахтные, предназначенные для работы в условиях повышенной радиации.

Получение данных о каком-либо процессе составляет традиционную задачу измерения физических величин, которая в ходе научно-технического прогресса расширилась до задачи автоматического управления, устраняю­ще­го непосредственное участие человека из производственного процесса и оставляющего ему ключевые рычаги управления, требующие творческого подхода и принятия решения. Сегодня приборы используются во всех областях человеческой деятельности. В обрабатывающей промышленности, например, около 15 % живого труда затрачивается на измерения, в электрон­ной промышленности эта доля превышает 60 %.

Структура приборов включает следующие основные последовательно соеди­нённые функциональные элементы:

- чувствительные элементы, преобразующие изменение какого-либо пара­метра состояния или процесса (первичной величины) в выходной сиг­нал (вторичную величину), способный быть переданный с наименьшими искажениями;

- передаточные элементы, которые усиливают или преобразуют выход­ной сигнал чувствительного элемента к виду, пригодному для выдачи или к дальнейшей обработке. При механической форме сигнала данную функцию выполняют передаточные механизмы, осуществляющие кинема­тическую связь между подвижными звеньями чувствительного элемента и средствами отображения информации;

- средства отображения информации, сообщающие человеку данные об измеряемой величине.

Если прибор включается в автоматическую систему, то к перечис­ленным структурным элементам добавляются усилитель, предназ­наченный для усиления полученного от чувствительного элемента сигнала с целью воздействия на регулируемый объект, и исполнительное устройство, предназначенное для изменения взаимного расположения деталей и регулирования параметрами контролируемого объекта.

Работа приборов осуществляется с использованием различных механи­ческих, оптических и электрических эффектов, поэтому теоретической базой приборостроения является механика, оптика, электроника и электротехника.

Механические узлы используются, главным образом, на “периферии” прибора в узлах, непосредственно обслуживаемых человеком: при сборе данных измерений, выдаче данных об измеренных параметрах. То же самое относится к оптическим функциональным узлам. Механичес­кие устройства для передачи и переработки информации в приборах представляют собой те или иные механизмы: трансформирующие, изменя­ющие вид движения (поступательного или вращательного), передаточные с постоянным или переменным передаточным отно­шением, исполнительные, используемые для движения точки по заданной траектории. Опти­чес­кие средства применяются для изменения соответствующим образом хода световых лучей в системе.

Обработка полученной при измерениях информации ведётся в приборе преимущественно с помощью электронных средств. Доля механических средств в изделиях приборостроения в настоящее время в 1,5 раза превы­ша­ет долю электронных. Предполагается, что в ближайшие годы это соотно­шение не изменится. Поэтому основным направлением развития в области конструирования приборов является поиск новых механических конст­рук­ций с использованием достижений микроэлект­роники.

Развитие приборостроения идёт по пути углубления изучения микро- и макроструктур материалов, технических и биологических систем. В насто­ящее время к вновь разрабатываемым приборам и эксперимен­тальным установкам предъявляются требования по повышению быстро­дейст­вия приборов, повышению их точности и надёжности, экономии цветных металлов, облегчению конструкции, экономии потребляемой энергии, по повышению доли унифицированных, типизированных и стандарт­ных деталей в приборах, повышению требований технической эстетики.