Конструирование измерительных приборов Учебное пособие Санкт-Петербург 2013 носов в.В.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

В.В.НОСОВ

КОНСТРУИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2013

УДК 681.2 : 621.8 /07/

В учебном пособии рассмотрены стадии разработки приборов, методология конструирования, изложены основы теории и расчёта элементов измерительных приборов, использующих при выполнении своих функ­ций, главным образом, меха­нические эффекты и устройства. Рассмо­трены струк­тура, принципы рационального про­ек­­тирования приборов, основы и конкретные примеры точностного, кине­ма­ти­ческого, динами­чес­кого, прочностного расчёта механических преобразователей и передаточных механиз­мов, вопросы компоновки, стандартизации и унификации; особенности конструирования соединений, типовые детали, ных ответов к нетов к ниателей и передаточных 00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000узлы и устройства приборов, защита приборов от внешних воздействий; структура и принципы расчёта основных элементов измерительной системы по иссле­до­ванию проч­ност­­ных свойств конструкционных материалов. В приложении даются задания к выполнению контрольных расчётно-графических работ и задание на курсовое проектирование. В конце каждого раздела пособия приводятся тесты для самопроверки, номера правильных ответов которым также даются в приложении.

Пособие предназначено для студентов технических факультетов высших учебных заведений, изучающих курсы конструирования измерительных приборов, деталей приборов и основ конструирования в рамках бакалаврской подготовки, соответствует федеральному государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования по направлению подготовки 200100.62 - Приборостроение и может быть полезно магистрам и аспирантам при проведении и анализе результатов научных исследований.

Рецензенты: кафедра машиноведения и основ конструирования Санкт-Петербургского государственного политехнического университета; д-р техн. наук, профессор В.А.Жуков.

Носов В.В.

Н 845. Конструирование измерительных приборов: Учебное пособие / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». - СПб, 2013. 219 с.

ISBN 978-5-8114-1269-3

УДК 681.2 : 621.8 /07/

ББК 30.12:34.44. я73

ISBN 978-5-8114-1269-3

 Национальный минерально-сырьевой     университет «Горный», 2013

1. Введение

1.1.Значение приборов 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 состоянии изделий, критериях оптими­зации конструк­торских работ и техноло­гических процессов, о связи конструктивных и техно­ло­гических параметров с параметрами состояния использу­ют­ся приборы и экспериментальные установки.

Приборостроение — отрасль науки и техники, являющаяся отраслью машиностроения, разрабатывающая и производящая средства измерения, обработки и представления информации, автоматические и автоматизированные системы управления. Основ­ным направлением развития приборостроения является изме­ри­тельная техника, состоящая из методов и приборов измерения механических, электрических, магнитных, тепловых, оптических и других физических величин. Измерительными приборами назы­ва­ют­ся устройства, осу­ществ­ля­ющие функ­ции передачи измери­тель­ной информации с целью облегчения труда человека и повышения его произво­ди­тель­ности. Измерительные приборы совместно с авто­матическими управляющими и с исполнительными устройст­вами образуют техническую базу автоматизированных систем уп­рав­ле­ния технологическими процессами.

Приборы можно классифицировать с различных точек зрения по различным критериям. 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 подразделяются на классы точности, которые обозначаются чис­лом со значением, равным величине допустимой относительной пог­решности. Классы точности бывают следующими (в порядке убы­вания точности): 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0 6,0. Лабораторные приборы имеют классы точности от 0,005 до 0,5, производственные - от 0,5 до 1,5, щитовые - от 1,5 до 6,0. Длина деления шкалы лабораторных приборов находится в пределах 0,5 - 2,5 мм, щитовых - 3 - 10 мм. Приборы с ошибкой в положении ведо­мого звена до 0,2 мм при поступательном его перемещении, или до 30’ при угловом перемещении относятся к приборам технической точности, с ошибкой в положении ведомого звена до 0,05 мм при посту­пательном его перемещении, или до 20” при угловом перемещении - к приборам высокой точности, с ошибкой в поло­же­нии ведомого звена до 0,001 мм при поступательном его перемещении, или до 1” при угловом перемещении - к приборам сверхвысокой точности.

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 %.

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.