Разработка реостатного преобразователя

     Титульная 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

     

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ                                                                                                           3

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ                                                                                             5

1. Обзор литературы                                                                                               5

1.1 Основные измерительные преобразователи                                                   5

1.1.1 Реостатные преобразователи                                                                        5

1.1.2 Тензометрические  преобразователи                                                             8

1.1.3 Индуктивные преобразователи                                                                     9

1.1.4 Емкостные преобразователи                                                                       10

1.2 Балки равного сопротивления при изгибе                                                   11

2. Расчет элементов  преобразователя                                                                  13

2.1 Расчет Балки равного сопротивления при изгибе                                        13

2.2 Расчет реостатного преобразователя                                                             15

2.3 Схемы, характеристики и погрешности преобразователя                           17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                                                     21

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ                                            22 

 

ВВЕДЕНИЕ

     Выбор метода измерений определяются видом измеряемых величин, их масштабами, требуемой точностью результата, быстротой процесса измерения, условиями, при которых проводятся измерения, и рядом других параметров. Многие физические величины можно измерить несколькими методами, которые могут отличаться друг от друга особенностями как технического, так и методического характера. В плане технических особенностей можно утверждать, что тот или иной метод имеет как свои достоинства, так и недостатки, а их сочетание зависит от конкретной задачи. С методической стороны все методы измерений поддаются систематизации и обобщению по общим характерным признакам. Рассмотрение и изучение этих признаков помогает не только корректно выбрать метод и сопоставить его с другими, но и существенно облегчает разработку новых методов измерения. Для прямых измерений можно выделить несколько основных методов: метод непосредственной оценки, дифференциальный метод, нулевой метод и метод совпадений. При косвенных измерениях широко применяется преобразование измеряемой величины в процессе измерений. Если мы проанализируем известные нам процессы измерений, то обнаружим, что в подавляющем большинстве случаев мы получаем числовое значение измеряемой величины только после того, как тем или иным способом видоизменим ее. В этом плане измерительные преобразователи целесообразно классифицировать по физической природе явлений, лежащих в основе их работы. По указанным признакам первичные преобразователи можно подразделить на такие виды как:

1. механические резистивные (контактные, реостатные, тензометрические);
2. электростатические (емкостные, пьезоэлектрические);
3. электромагнитные (индуктивные, индукционные, магнитоупругие);
4. теплоэлектрические (термоэлектрические, терморезистивные);
5. электрохимические (резистивные элктролитичекие, кулонометрические, химотронные);
6. оптико-электрические;
7. гальванокинетические;
8. атомные (ионизационного излучения, квантовые).

Среди перечисленных  видов рядом достоинств обладают резистивные реостатные преобразователи. В частности, они позволяют преобразовывать линейные и угловые перемещения в электрический сигнал, мощность которого соответствует миллиамперам и вольтам. Последнее является важным фактором при измерениях в условиях высоких электромагнитных помех. 
 

 

ОСНОВНАЯ  ЧАСТЬ

     1. Обзор литературы.

     1.1 Основные измерительные преобразователи. 

1.1.1 Реостатные преобразователи. Среди резистивных преобразователей исторически первыми были реостатные – рис. 1.1. [1 – 5]. 

Рисунок 1.1 – Реостатные измерительные преобразователи 

Реостатные преобразователи  основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины – перемещения. Реостатный преобразователь, как показывает само название, представляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. На рис. 1.1. схематически показаны некоторые варианты конструкций реостатных преобразователей для углового (рис. 1.1.а) и линейного (рис. 1.1.б) перемещений. Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линейное, угловое), от вида функций преобразования (линейная, нелинейная) и других факторов. Она может иметь вид цилиндра, тора, призмы и т. д. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики (гетинакс, пластмасса, керамика) и металлы (дюралюминий с анодированной поверхностью).

Проволока для  обмотки выполняется из сплавов (сплав платины с иридием (5—30%), константан, нихром и фехраль). Физические свойства рядя проволок приведены в табл. 1.1. [3 – 5]:

Таблица 1.1 –  Физические свойства материала проволок

Для обмотки  преобразователя обычно используется изолированный эмалью или оксидной пленкой провод. После изготовления обмотки изоляция провода счищается в местах соприкосновения его со щеткой.

     Щетка преобразователя выполняется либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используются как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза, медно-серебряные сплавы и т. д.). Качество контакта щетки и обмотки определяется контактным давлением, которой выбирается в широких пределах от  десятых долей грамма до сотых граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя.

     Выходной  параметр реостатных преобразователей – сопротивление – измеряется обычно с помощью мостовой схемы. Наиболее распространенные схемы включения реостатных преобразователей приведены на рис.1.2. Недостаток первых трех схем (рис. 1.2.а, б, в) – нелинейная зависимость тока от перемещения движка. Значительно меньшую нелинейность имеют мостовые схемы (рис. 1.2.г и д). Расчет линейного реостатного преобразователя сводится к определению диаметра и длины намоточного провода, а также геометрических размеров каркаса. 

Рисунок 1.2 – Схемы включения реостатных преобразователей 

     Габариты  преобразователя определяются значением  измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и мощностью, выделяемой в обмотке. Для получения нелинейной функции преобразования применяются функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер функции преобразования очень часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис.1.1.б).

     В рассматриваемых реостатных преобразователях зависимости изменения сопротивления от перемещения щетки имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками на значении сопротивления одного витка. Это вызывает погрешность преобразования. Максимальная приведенная погрешность при этом у = ΔR/R, где ΔR – максимальное сопротивление одного витка R – полное сопротивление преобразователя. Иногда применяются реохордные преобразователи, в которых щетка скользит вдоль оси проволоки. В этих преобразователях отсутствует указанная выше погрешность.

     К достоинствам преобразователей относится возможность получения высокой точности, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки – наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка, а иногда и значительного усилия для его перемещения. Применяются реостатные преобразователи для преобразования сравнительно больших перемещений (угловых, линейных).

1.1.2 Тензометрические преобразователи. Тензочувствительные преобразователи (тензосопротивления). В основу работы тензосопротивлений положен тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации [2, 6]. Существуют проволочные, фольговые и пленочные тензосопротивления.

     Конструкция проволочного тензосопротивления представлена на рис. 1.3.

Рисунок 1.3 – Тензочувствительный проволочный  преобразователь 

На полоску  тонкой и прочной бумаги 1 наклеивают уложенную зигзагообразно тонкую (0.02-0.05 мм) константановую, нихромовую или другую высокоомную проволоку 2. К ее концам припаивают выводы 3 из полосок фольги, которые используются для включения преобразователя в измерительную цепь. Сверху проволоки наклеивают бумагу. Проволочный преобразователь с помощью специального клея наклеивается на испытываемую деталь. При деформации поверхностного слоя детали преобразователь тоже деформируется и изменяет свое сопротивление. Измерительной базой преобразователя является расстояние l. Промышленностью выпускаются тензосопротивления с l=0,3+130 мм и сопротивлением R=30+300 Ом. Отношение l/h равно 0.5.

     Основной  характеристикой применяемых в  тензорезисторах материалах является тензочувствительность S = (ΔR/R)/(Δl/l).

1.1.3 Индуктивные преобразователи. Преобразователи, преобразующие естественную входную величину в виде перемещения в изменение индуктивности, называются индуктивными [1 – 6].

     Индуктивный преобразователь представляет собой  дроссель с изменяющимся воздушным зазором (рис. 1.4.а) или изменяющейся площадью поперечного сечения (рис. 1.4.б) 

Рисунок 1.4 – Конструкция и схемы включения индуктивных преобразователей. 

Выходной параметр индуктивного преобразователя –  изменение индуктивности L обмотки, надетой на сердечник, при изменении зазора δ или площади S.

Для измерения  больших перемещений применяют  индуктивные преобразователи соленоидного типа ( рис. 1.4.в). Изменение индуктивности в этих преобразователях вызывается перемещением в катушке ферромагнитного сердечника. Соленоидные преобразователи могут применяться для измерения перемещений 100 – 1000 мм. Особенность индуктивных преобразователей в том, что чувствительность их к внешним факторам не зависит от чувствительности к измеряемой величине, поэтому увеличение чувствительности к измеряемой величине приводит к уменьшению погрешности преобразователя. Индуктивные преобразователи применяют для измерения перемещений, толщены покрытий, в микромерах. Изготавливают также индуктивные динамометры и манометры, в которых усилие и давление преобразуется в перемещение при помощи упругих элементов, т.е. промежуточных преобразователей. При эксплуатации индуктивных преобразователей следует учитывать электромеханическую силу, действующую на подвижный сердечник. Поэтому их можно использовать только для измерения достаточно больших сил. Динамические характеристики индуктивных преобразователей определяются в основном параметрами подвижной механической системы, которая чаще всего является колебательной.

1.1.4 Емкостные преобразователи. В основу работы емкостного преобразователя положено изменение его емкости под действием входной измеряемой величины [1 – 6]. Емкость плоского конденсатора, как известно, выражается формулой С = ε ε₀ S / δ где ε ε₀ – диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S — площадь поверхности обкладки; δ – расстояние между обкладками, или толщина диэлектрика. Таким образом, изменение емкости преобразователя можно получить, изменяя:1) расстояние между обкладками (рис. 1.5.а); 2) площадь электродов, образующих емкость (рис. 1.5.б); 3) диэлектрическую проницаемость диэлектрика (рис. 1.5.в).

 

Рисунок 1.5 – Основные типы емкостных преобразователей 

Как видно из формулы для емкости, ее зависимость от диэлектрической проницаемости и площади пластин имеет линейный характер, а от расстояния между пластинами – нелинейный, гиперболический характер.

     Емкостные преобразователи с изменяющимся воздушным зазором используют для измерения малых перемещений (от долей микрометра до долей миллиметра), для измерения силы, давления при наличии промежуточных преобразователей силы и давления в перемещение.

     Преобразователи с изменяющейся площадью применяют  для измерения больших линейных и угловых перемещений.

     Преобразователи с изменяющейся диэлектрической  проницаемостью чаще всего используют для измерения влажности твердых  тел (тканей, пластмасс), сыпучих тел, аморфных (например, мазута), а также  для измерения уровней, толщины изоляционных материалов, усилий. В последнем случае используется свойство сегнетоэлектриков, применяемых в качестве диэлектрика в преобразователе, изменять диэлектрическую проницаемость под действием сжимающей силы. Их применяют только для измерения сравнительно больших усилий. Достоинства емкостных преобразователей: высокая чувствительность, простота конструкции, малая инерционность. Наряду с этим емкостным преобразователям присущи и недостатки: 1) большое внутреннее сопротивление, что вызывает необходимость производить питание током высокой частоты; 2) необходимость тщательной экранировки для уменьшения влияния внешних электрических полей и паразитных емкостей. 

     1.2 Балки равного сопротивления  при изгибе 

     Так как изгибающие моменты обычно меняются по длине балки то, подбирая ее сечение по наибольшему изгибающему моменту, мы получаем излишний запас материала во всех сечениях балки, кроме того, которому соответствует. Для экономии материала, а также для увеличения в нужных случаях гибкости балок применяют балки равного сопротивления. Под этим названием подразумевают балки, у которых во всех сечениях наибольшее нормальное напряжение одинаково и должно быть равно допускаемому [7]. Возможно консольное, двухопорное закрепление балок, а равное сопротивления при изгибе может обеспечиваться как переменной высотой, так и шириной балки.