- •Пояснительная записка
- •«Физические основы получения информации»
- •Содержание
- •5.1 Принцип действия преобразователя……………………………...26
- •Введение
- •К вопросу о понятии измеряемого объекта
- •Обзор аналогов и прототипов
- •Реостатные преобразователи
- •Индуктивные преобразователи
- •Емкостные преобразователи
- •Механотроны
- •Тензочувствительные преобразователи
- •Выбор преобразователя
- •Техническое задание
- •Назначение и область применения
- •Основные требования к преобразователю
- •Конструкторский раздел
- •5.1 Принцип действия преобразователя
- •5.2 Расчет основных характеристик преобразователя
- •Заключение
- •Список использованных источников
Техническое задание
Назначение и область применения
Реостатный преобразователь больших линейных перемещений относится к измерительной технике. Цель – контроль с помощью данного преобразователя линейных перемещений в рессорном подвешивании вагона, обеспечение безопасности и работоспособности рессор. Ранее, данная величина не подвергалась контролю, поэтому прямых аналогов у разрабатываемого прибора нет, поэтому его разработку будем вести руководствуясь общими принципами построения реостатных преобразователей. Это обусловлено так же и узким кругом применения таких преобразователей.
Основные требования к преобразователю
Основными параметрами устройства являются:
1) диапазон измерений: от 0 до 100 мм;
2) погрешность измерений: не более 3%;
3) выходное сопротивление: от 0 до 100 Ом;
4) порог чувствительности: 1 Ом;
5) межвитковая емкость: 20 пФ.
Снятие значений измеряемой величины должно производится с помощью адекватно отградуированного устройства с цифровой индикацией.
Требования по эксплуатации должны обеспечивать безопасность работы преобразователя перемещения. К таковым требованиям относятся:
предельно допустимое перемещение: 0-100 мм;
2) изоляция электрических цепей,
3) надежное крепление составляющих преобразователя.
Конструкторский раздел
Данный раздел подразумевает рассмотрение необходимых для проектирования схемы устройства физических эффектов, положенных в основу принципа действия преобразователя, и возникающих в процессе работы. Также приводится рассмотрение электрической схемы включения датчика. Приведены расчеты функции преобразования, электрической схемы, погрешностей, допустимых и возникающих в процессе работы. На основе вышеперечисленного делаются выводы о возможностях преобразователя.
5.1 Принцип действия преобразователя
Конструкция разрабатываемого преобразователя наиболее часто применяется для измерения линейных или угловых перемещения, поэтому зарекомендовала свою простоту и надёжность. Представляет собой реостат, щётка которого перемещается под действием измеряемой величины – линейного перемещения. Реостат представляет собой цилиндр, на который намотана изолированная константановая проволока. В месте контакта со щёткой обмотка зачищена от изоляции. При перемещении щётки с одного витка на другой происходит ступенчатое изменение сопротивления, что вызывает погрешность квантования, уменьшающуюся с ростом числа витков. Выходное сопротивление фиксирует прибор с цифровой индикацией.
Уравнение преобразования такого преобразователя в самом общем виде выглядит так: R = f(), гдеR – выходное сопротивление преобразователя, - линейное перемещение щётки.
Данный прибор является параметрическим, т.е. требует дополнительного источника питания.
5.2 Расчет основных характеристик преобразователя
Конструкция преобразователей разрабатывалась в соответствии с проведёнными расчетами, включающими в себя расчёты характеристик преобразователя при номинальных размерах и размерах элементов, соответствующих граничным условиям допусков, и функции преобразования по заданным исходным данным. Кроме того содержатся расчеты погрешностей, возникающих во время работы преобразователя.
Как уже отмечалось ранее, выходная величина преобразователя изменяется ступенчато, поэтому зададимся порогом чувствительности: . Сопротивление реостата изменяется в пределах от 0 до 100 Ом. Вычислим число витков:
Выберем далее материал провода по температурному коэффициенту сопротивления (), для этого выразимиз формулы:
где:
Итак, в качестве материала провода выбираем константан, т.к. его параметры наиболее подходящие:
Зададим далее диаметр провода (выберем из стандартного ряда) и вычислим его длину:
Выбираем диаметр 0,1 мм (столь малый диаметр выбран постольку, поскольку требуется обеспечить достаточно большое сопротивление и затратить на производство провода минимальное количество дорогостоящего константана) и выражаем из (11) длину провода (
Вычисляем шаг укладки:
Теперь зададим диаметр каркаса 1 мм и вычислим его длину:
Принимаем длину каркаса , и вычислим теперь шаг укладки:
Рассчитаем количество теплоты, выделяемое в обмотке при температуре , которая обусловлена ни чем иным, как погодными условиями при эксплуатации в России, где в течении года температура меняется в диапазоне от -30до +30:
где: с – удельная теплоёмкость (для константана с=397);
m – масса провода;
- разность температур ();
для этого необходимо рассчитать поперечное сечение провода:
его объём:
и, наконец, массу:
Рассчитаем теперь количество теплоты:
Проведём расчет максимально допустимого тока в обмотке:
Данный преобразователь является инерционным звеном и обладает по этому межвитковой ёмкостью С = 20 пФ.
Запишем дифференциальное уравнение преобразователя:
где: Т – постоянная времени звена;
- передаточный коэффициент звена;
- выходное напряжение;
- входное напряжение.
Постоянная времени в данном случае равна:
Передаточный коэффициент находим по формуле:
Запишем теперь передаточную функцию (представив для этого дифференциальное уравнение в операторной форме):
Выполним замену переменных и получим комплексный коэффициент преобразования:
Амплитудно-частотная характеристика данного преобразователя описывается следующим выражением:
(27)
Из формулы (27) видно, что выражение для ЛАЧХ преобразователя состоит из двух слагаемых:
(28)
;
Изображение ЛАЧХ и ЛФЧХ, а так же АФХ приведены на листах графической части.
Рассчитаем теперь функцию преобразования. Функция преобразования в самом общем случае имеет вид: y = f(x), где х и у – входная и выходная величина соответственно. В нашем случае входной величиной является перемещение , а выходной – сопротивление, а функция преобразования имеет вид:
(29)
где: - сопротивление всего реостата;
–перемещение движка;
- длина провода;
- длина всего реостата;
- удельное сопротивление.
Графическое изображение функции преобразования представлено в графической части.
Чувствительность преобразователя есть отношение приращения выходного сопротивления к приращению входного перемещения:
(30)
Рассмотрим теперь погрешности, возникающие в преобразователе. В сложных электрических устройствах, как правило, погрешность складывается из многих факторов. В нашем случае абсолютная погрешность описывается следующим выражением:
(31)
где: – погрешность, обусловленная неточной выдержкой диаметра провода, принимаем
–погрешность, обусловленная неточным соблюдением длины провода, принимаем
–погрешность, обусловленная неправильным выбором сплава, не обеспечивающего нужное удельное сопротивление, принимаем т.к. в современных условиях правильно выбрать сплав довольно просто;
, где ; ;
Рассчитаем теперь общую погрешность преобразователя:
(32)
Погрешность шунтирования обусловлена тем, что на выходе подсоединена нагрузка, в виде вольтметра, обладающего сопротивлением 1 Мом:
С учётом полученных данных найдём общую погрешность преобразователя:
Получили погрешность, значительно ниже требуемой, что является положительным событием.
Структурная схема и схема включения преобразователя приведены на листах графической части.