методические указания по лабораторным работам / расчет характеристик реостатных и индуктивных датчиков линейных перемещений

Цель методических указаний: ознакомление с конструкцией, принципом действия реостатных датчиков линейных и угловых перемещений.

КОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКОВ

Реостатный датчик представляет собой проволочный реостат с

!

непрерывной или секционированной намоткой. В первом случае подвижная часть датчика, определяющая перемещение - движок - скользит непосредственно по обнаженной от изоляции поверхности провода, во втором - по контактам, к которым присоединены концы и начала соседних секций реостата

Обмотка наматывается на плоский, цилиндрический или кольцевой каркас из изолирующего материала или металла, покрытого слоем изоляции. Металлические каркасы вследствие лучшей теплопроводности допускают большие удельные нагрузки. Часто для этой цели применяют оксидированный алюминий. Толщина нанесенного оксидного слоя должна быть порядка Юмкн, слой не должен иметь трещин. Напряжение пробоя такого слоя порядка 500 В. Допустимое превышение температуры 50 °С.

Для намотки чаще применяют провод из константана, манганина, сплава серебра с палладием, платины или платины с иридием, вольфрама диаметром от 0,03 до 0,1 мм, а в случае более грубых датчиков — до 0,3 мм.

Провод наматывается с некоторым натяжением, величина которого р выбирается в зависимости от материала и диаметра провода. При этом необходимо, во-первых, чтобы при понижении температуры провод не распускался, так как обычно коэффициент линейного расширения материала корпуса aj#anp; во-вторых, нужно, чтобы при нагреве корпуса провод при растяжении не достигал предела упругости. Толщину каркаса не рекомендуется брать менее 4d, а радиус закругления В на углах — менее 2d.

Если заданы пределы изменения температур нагрева корпуса где ©о — температура, при которой производится намотка

(например, ©о = 20°С); 010 — верхний предел температуры нагрева корпуса при

максимальной температуре окружающей среды; ©20 — нижний предел температуры корпуса, обусловленный

минимальной температурой окружающей среды, то натяжение провода Р, наматываемого при температуре 0О, должно быть равно

так как относительное удлинение при растяжении не должно быть меньше тепловых относительных удлинений, равных:

где Е — модуль упругости материала провода, кГ/см ; d - диаметр, см;

ак и ащ>:—коэффициенты линейного расширения материалов корпуса и провода;

S- площадь поперечного сечения провода, смг;

р- напряжение в проводе при намотке, кГ/см2.

Также максимальные напряжения при наибольшем нагреве должны быть меньше, чем напряжения, соответствующие пределу упругости ау, т.е.

р = Е{ак - апр Х@10 - 0 2 О ) < ау.

Если р > <JV , то необходимо либо изменить величину тока, допускаемую для датчика (следовательно, 01О), либо выбрать другие материалы для корпуса (изменить ак) или провода (изменить 0Ц,, Е и сгу).

В случае каркаса, изготовляемого из керамики, текстолита, гетинакса, пластмассы, у которой ак<апр, порядок расчета обратный, т.е. натяжение определяется

и при этом должно быть удовлетворено следующее соотношение

Поверхность провода должна быть покрыта эмалью или слоем окислов для изоляции соседних проводников друг от друга. После намотки провода для укрепления витков и предохранения их от смещения всю поверхность покрывают тонким равномерным слоем лака (бакелитовый лак).

Полировка контактной поверхности производится вдоль витков наждачной или полировочной бумагой, сухим оселком, шлифовальным кругом с алмазной пылью или (в случае эмали) фетровым кругом. Ширина контактной поверхности b=(2-3)d.

Ползунок (движок) чаще изготовляется из платины с 30% иридия, иногда из платины и бериллия (0,05%) или платины с серебром в виде двух-

трех параллельных проволок, диаметр и длина которых выбирается таким, чтобы обеспечить контактные усилия Рк=0Д-1,0 Г. В более грубых потенциометрических датчиках с d>0,l мм ползунки выполняются в виде пластинчатых щеток из серебра, серебра с палладием. Контактное усилие при этом берется Рк=5-10 Г.

Сопротивление реостатного датчика

где р - удельное сопротивление провода Ом*мм /м; d - диаметр провода, мм;

di - диаметр провода с изоляцией, мм; di = fa d; 1 - средняя длина одного витка намотки, м;

L - длина намотки по каркасу, мм; W - число витков обмотки.

Из выражения (*) определяют диаметр провода

или

то допустимая рассеиваемая мощность в обмотке Р уменьшается по линейному закону при изменении температуры окружающей среды Оо.

Зная максимальную допустимую температуру нагрева обмотки из условия механической прочности провода

и максимальную температуру окружающей среды 6о макс, получим, что превышения температуры обмотки, допустимые вследствие нагрева током, равны

Из условий нагрева провода протекающим током следует, что или

отк;

Тогда величина диаметра провода определяется

где ц - коэффициент теплоотдачи, Вт/см *град; к - коэффициент, учитывающий, что часть поверхности провода не

В некоторых случаях существенной является величина разрешающей способности датчика, под которой подразумевают наименьшее перемещение ползунка, вызывающее изменение сопротивление. Разрешающая способность

1)в случае включения по схеме потенциометра (делителя напряжения)

ипри сопротивлении нагрузки, значительно большем сопротивления потенциометра

2) в случае включения в качестве реостата (последовательно с нагрузкой)

Так как наименьшее перемещение Дао отвечает переходу движка реостата с одного витка на другой, то где а - радиус движка реостата.

При этом момент, необходимый для поворота движка, равен

г д коэффициент трения; I - контактное усилие.

Если при расчете датчика задана величина момента Мх, то диаметр провода можно определить из следующих соображений:

Число витков потенциометра определяется

где амаКс - угол, занимаемый намоткой.

Сопротивление отдельного витка

Длина одного витка

Ширина каркаса h при толщине его b = 2В + bo и радиусе закругления В = (2,0-10,0)*аравна:

где bo - средний (плоский) участок толщины каркаса. Ток управляемой цепи и напряжение на нагрузке

определяются для случая последовательного («реостатного») включения как

где RH - сопротивление нагрузки: . - полное сопротивление

реостата; L0 - его длина.

При этом должно соблюдаться условие

При включении по потенциометрической схеме

Так как сопротивление датчика в общем случае зависит и от влияния температуры, и изменения растяжения проволоки, то для уменьшения ошибки датчика необходимо выбирать материал с малым температурным

коэффициентом с малой тензометрическои чувствительностью

и т.д. Считая ARX = 0, можно определить, что влияние

температуры и механических усилий эквивалентно ошибке перемещения

Пример. Рассчитать реостатный датчик перемещения. Задано: максимальное перемещение ползунка Lmax = 0,03м; сопротивление датчика

г0 = 300 Ом; максимальный ток Imax = 0,4 А; минимальная температура нагрева Э20=15°С; максимальная температура окружающей среды ®отах=500С;

1.Конструкция, принцип действия. Типы датчиков.

2.Уравнение механической прочности провода.

3.Уравнение теплового баланса.

4.Материал обмотки, каркаса.

5.Этапы расчета реостатного датчика.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Коновалов Л.И., Петелин. Элементы и системы электроавтоматики. М.: Высшая школа. 1980.-192с.

2. Сотсков Б. С. Основы расчета и проектирование электромеханических элементов автоматики и телемеханических устройств. М.: Энергия, 1975.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Немцов М.В. Справочник по расчету параметров катушек индуктивности. М. :Энергоатомиздат, 1989,192с.

ВРЕМЯ, ОТВЕДЕННОЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Подготовка к работе - 0,5 акад. час. Выполнение работы -1,0 акад. час. Оформление отчета - 0,5 акад. час.