Электромагнитный вольтметр

Нм.

  Длина ленты:

 мм.

  Шаг спирали:

= n × h,

где n-число витков, находится в пределах 3…10.

Пусть n = 4, тогда

= 4 × 0,2 = 0,8(мм)

Внутренний радиус спирали (равен радиусу оси)  r = 1 мм,

Радиус наружного витка спирали:

  мм.

Получили количество витков спирали:

.

Противодействующий момент пружины:

8,04 Н мм.

Масса пружины:

0,087 г.

7. Шкала прибора:

 

Для отсчета измеряемой величины при  выводе её из чувствительного элемента с помощью передаточного механизма применяют шкальные и цифровые отсчетные устройства.

Шкала  представляет собой деталь с отметками (рисками), соответствующими ряду значений изменяемой величины. Деление шкалы — это участок между двумя соседними рисками. Отношение длины деления к соответствующему значению измеряемой величины называется масштабом шкалы. Число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы, называется ценой деления. Риски составляют градуировку шкалы. Различают шкалы прямолинейные и круговые; последние могут быть дискового, барабанного, спирального и других типов. Ряд шкал стандартизован ГОСТ5365-73. Находят применение как линейные (равномерные), так и функциональные (неравномерные) шкалы, когда при равной цене деления расстояния между соседними рисками различны.

При расчете шкалы цена  ее деления  не должна превышать погрешности  измерения Dх. Число делений п равномерной шкалы зависит от интервала измеряемой величины xÎ[х_1, х₂].

Корпус, кронштейн и основание  изготавливаем штамповкой из сплава Д16. Шкалу выполняем из дюралюминия Д36АТ. Шкалу выполняем черного цвета, а риски-белого.

Длину b деления шкалы, т. е. расстояние между соседними рисками, обычно назначают 1...5 мм. Выбираем длину делений шкалы b =2 мм. Ширину рисок шкалы и указателя выполняем одинаковой по 0,1 мм. Для определения числа делений шкалы в зависимости от класса точности прибора необходимо воспользоваться формулой:

где g -  класс точности прибора.

Минимальное число делений:

20

Для более точного  считывания информации возьмём число делений равным 30 (n=30). Шкала вольтметра и амперметра выполнены совмещенными. Рассчитываем длину шкалы  по формуле:

L =  n × b = 30∙2 = 60 мм.

Диаметр этой шкалы:

 114,6мм.

  

 Предел измерений по току равен 3А, по напряжению 60В. Цена деления вольтметра и амперметра соответственно равны:

 В/дел  и А/дел.

Для удобства восприятия каждую пятую риску следует сделать высотой 5 мм, все остальные высотой 3 мм.

 

8 Расчет стрелки:

 

В качестве материала  для стрелки по ГОСТ 4784-74 выбираем дюралюминий Д16АТ. Конец стрелки должен быть не толще ширины штриха шкалы. Длина стрелки

 мм.

Остальные параметры  стрелки:

Ширина конца стрелки       D_cтр  = 0,1 мм

Высота конца стрелки       g_стр = 10 мм. 

Средняя толщина стрелки h_стр = 0,2 мм

Средняя ширина стрелки q_стр = 2 мм

Плотность материала        r_стр = 2,8 г/см³

Масса стрелки:

г.

 

9 Расчет успокоителя:

 

В измерительных механизмах имеется специальный конструктивный элемент – успокоитель, создающий  момент успокоения:

где – коэффициент демпфирования, Н × м × с / рад,

– характеризует быстроту установления действующего значения величины.

Для данного прибора  выберем  .

 

В индукционных успокоителях момент успокоения создаётся за счёт взаимодействия магнитного потока постоянного  магнита с вихревыми токами, индуцированными в секторе успокоителя при их движении в магнитном поле магнита. Секторный индукционный демпфер (рис.7) состоит из: алюминиевого сектора 1, жёстко закреплённого на оси подвижной части, и магнитной части в виде цилиндрического магнита 2, приклеенного к скобе 3 из магнитомягкой стали. При отклонении подвижной части сектор пересекает магнитное поле в воздушном зазоре магнитной системы, создавая необходимое успокоение.

 

Рис.7 Индукционный успокоитель.

                    а)                          б)

                               Рис.8

 

    Коэффициент успокоения такого успокоителя определяется по

формуле:

                         Н·м·с/рад,

где В - магнитная индукция в воздушном зазоре магнитной системы, Т;

R - средний радиус сектора  (расстояние от оси вращения  до центра

полюса магнита), мм; р - удельное сопротивление материала  сектора,

мкОм·м ( для алюминия р = 0,028 мкОм·м ); Е и F - коэффициенты

определяемые по кривым в зависимости от размеров полюса и сектора,

для круглого полюса равны: Е = 6,5; F= 2· (F₁- F₂), при этом коэффициенты

F₁ и F₂ определяют по кривой на рис.8 а), для m₁ = d/b, и m₂ = 0,5·d/b.

Исходя из соображений  компактности, зададим следующие  геометрические

размеры R = 30 мм, d = 5 мм, D = 1 мм, l = 3 мм, = 3 мм, Ь = 7 мм.

 

                

 

     Исходя из графика, определяем F₁ = 0,92 , F₂ = 0,25 и F = 2·(F₁ - F₂) =

= 2·(0,92 - 0,25) = 1,34.

    Магнитную индукцию в воздушном зазоре магнитной системы

успокоителя можно приблизительно оценить по коэффициенту

рассеивания , вычисляемому по формуле:

 

      

где d - диаметр, l- длина магнита, мм, - длина воздушного зазора, мм.

   Данный индукционной демпфер изготовлен из сплава марки ЮНД4,

 который имеет кривую намагничивания, показанную на Рис.8 б).

   Зная коэффициент , определим тангенс угла наклона кривой

размагничивания материала магнита:

                        

                              

Под углом в 72^.о на кривой для расчета успокоителя проводим прямую размагничивания до пересечения с кривой размагничивания и определяем В_М = 0,43 Т, следовательно, индукция в воздушном зазоре:

                   

Коэффициент успокоения (Н·м·с/рад):

   

Момент успокоения:

                

    Масса демпфирующего устройства:

,

где p_ал=2,7 г/см³, =1 мм, =60^.о, b=7 мм, t=5 мм, R=30 мм.

 

       г.

 

10 Расчет оси прибора

 

Ось прибора предназначена  для установки и крепления вращающихся деталей механизмов приборов. Ось измерительного механизма прибора выполнена из углеродистой стали У10А (ГОСТ 1435-74), обладающей хорошими механическими характеристиками и физическими свойствами. Параметры стали:

Плотность стали    r = 7,81 г/см³

Длина оси                     l_оси = 36 мм

Диаметр оси    d_оси = 2 мм

Масса оси:

 г.

 

Масса подвижной части:

 г.

Вес подвижной части:

 Н.

 

11 Расчет опоры на  кернах:

 

Опоры на кернах (Рис. 9) предназначены для восприятия осевой нагрузки, передаваемой вращающимся стержнем 1 через собственно керн 2 на подпятник 3. Для регулирования зазоров в опорах один из подпятников может быть вмонтирован в винт 4, который фиксируется гайкой 5. Острие керна имеет закругление радиусом  r_к = 0,01...0,15 мм, а радиус сферического очертания опорной поверхности подпятника r_п = (4...8)r_к. В миниатюрных опорах кернами могут быть заостренные концы самого валика или оси. Благодаря практически точечному контакту опоры на кернах отличаются малым сопротивлением относительному вращению и поэтому широко применяются в измерительных приборах и других точных системах с малыми нагрузками. Материалом для изготовления кернов может служить сталь У10А, У12А, титан, кобальтовольфрамовые сплавы, а для подпятников — бронза, естественные или синтетические камни (агат, рубин и др.) и твердые сплавы.

.

Рис. 9 Опора на кернах

 

Материалом керна выбираем углеродистую сталь У10А.

Свойства стали У10А:

 Плотность           r  =  7,85 г/см³

 Модуль упругости      E_к = 2 × 10^.5  мПа

 Предел прочности  при растяжении       s_в = 600 мПа

 Предел текучести      s_т = 350 мПа

В качестве материала  подпятника возьмем латунь Л59-1.

Свойства латуни Л59-1:

Модуль упругости                         E_n = 93000мПа

Плотность                  r  =  8,5 г/см³

Диаметр керна возьмем  равным d_к = 0,7 мм, радиус закругления керна r_к = 0,07 мм, а радиус закругления подпятника соответственно

r_n = 4·0,07 = 0,28 мм.

Расчет опор на прочность  проводят по контактным напряжениям.

Значение радиуса r контура площадки контакта рассчитывается по формуле:

0,004мм.

Значение наибольшего напряжения s_max действующего в точке соприкосновения:

=1988,8  Н/мм²

 

Момент сил трения при нагружении осевой силой в  опоре:

f = (0,1…0,7) – коэффициент трения, примем f=0,4

71 мкНм.

 

             12 Измерительная цепь прибора

 

Измерительная цепь электромагнитной системы представляет собой монтажную плату 22.5мм х 40мм (по ЕСКД), на которую можно разместить термостабилизирующую схему, клеммы к которым подается ток (напряжение) для измерения, переключатель рода измерения физической величины.

В приборах с подвижным сердечником  расчет электрических параметров цепи тесно связан с расчетом параметров ИМ. В нашем случае сопротивление обмотки было положено в основу расчета числа витков и площади сечения, при этом был выбран провод, рассчитанный на предельный ток, однако для режима измерения напряжения необходимо использовать  добавочное сопротивление.

 

13 Клеммы и переключатель.

 

Клеммы предназначены для подключения  проводников внешней электрической  схемы к прибору. Переключатель в данном приборе устанавливается для переключения измерения между током и напряжением.

   Схема включения переключателя представлена на рис.9.

 

Рис. 10

При замыкании контакта 3 прибор работает в режиме вольтметра; при замыкании контакта 2 прибор работает в режиме амперметра.

14 Корпус

 

Корпуса механизмов  и  приборов предназначены для размещения элементов передач, обеспечения  их правильного взаимного расположения, необходимой герметизации и благоприятных  условий смазки. Корпуса должны быть простыми по форме, технологичными в изготовлении и сборке, достаточно прочными и жесткими.

На корпусе крепятся неподвижные шкалы, укрепляются  фиксаторы, ограничители движения.       

Корпус изготавливается  под давлением из полистирола  ПСМ – 115                  (ГОСТ 20282 – 86). Толщина стенок взята равной 3 мм. Установку механизмов производить по ОСТ 4 ГО 010 080, а в крышке производить накатку под резьбу.

Проектируемый прибор является переносным, значит измерительный механизм должен быть надежно закреплен и как можно меньше подвержен физическому воздействию.

Корпус состоит из двух частей: верхней (лицевая) и нижней.

Верхняя (лицевая) часть корпуса является рабочей. На ней крепится стекло, клеммы, кнопка-переключатель.

Крепление стекла осуществляется с помощью клея БФ-2 Соединение стекла, закрепленного на клею, удовлетворяет требованиям ударопрочности и герметичности.

Перед установкой стекло проверяется на отсутствие в нем царапин, воздушных пузырьков, матовых пятен, сколов и других дефектов.

Нижняя часть    корпуса имеет отверстия для соединения частей корпуса воедино, отверстия для крепления станины.

 

15 Расчет погрешностей:

 

Погрешность, присущая прибору  в нормальных условиях, называется основной. Основная погрешность нормируется  согласно ГОСТ 12600 – 86, ГОСТ1845 – 59, ГОСТ22261 – 76.

Погрешность, возникающая  в приборе при отклонении влияющих величин от нормальных условий эксплуатации (температура окружающей среды, напряжение источника питания, формы входного сигнала) – это дополнительная погрешность.

Дополнительная погрешность  измерительного прибора или нормируется  ГОСТ 8009 –72, ГОСТ 13600 – 68, ГОСТ 1845 – 59 при  указанной рабочей области значений влияющих величин.

Погрешность от собственного нагрева рабочей катушки:

           где

 

, ,

 

 

Погрешность шкалы:

 

k_нш = 1,3       -  коэффициент неравномерности шкалы,

D_cтр  = 0,1 мм -  толщина конца стрелки и отметки шкалы,

 

   Погрешность от  трения в опорах на кернах:

 

Погрешность от гистерезиса:

 

b=1,6 А/м -  ширина петли гистерезиса материала сердечника для пермалоя 45Н,

с=20 мм, мм, мм  -  параметры катушки и окошка,

Н_К – напряженность магнитного поля рабочей катушки:

 

 А/м,

Суммарная основная погрешность:

Суммарная основная погрешность не превышает пределов допускаемой приведенной погрешности 2,5% при любом методе суммирования составляющих погрешностей, что удовлетворяет техническому заданию.