Разработка преобразователя углового перемещения

Rобр - обратное сопротивление диода.

Для напряжений менее одного вольта вольтамперная характеристика диода описывается выражением:

, (7.3)

где и - параметры аппроксимации.

При синусоидальном входном напряжении выходное напряжение амплитудного детектора [15]:

. (7.4)

При воздействии импульсного напряжения функция преобразования будет определяться выражением [8]:

. (7.5)

Для уменьшения погрешности необходима идентичность амплитудных детекторов.

Погрешность из-за неодинаковости и детекторов равна:

. (7.6)

Чтобы получить высокую точность преобразователя, необходимо подбирать четвёрки одинаковых диодов, по крайней мере, по трём параметрам:

прямому сопротивлению;

нелинейности;

температурному коэффициенту, что практически невозможно.

Максимальная погрешность преобразователя из-за ошибок при сравнении сигналов:

, (7.7)

где - погрешность от сравнения сигналов,

В - максимальное изменение амплитуды сигнала на выходе датчика,

z - количество зубьев ротора.

Погрешность из-за 20% разброса параметра диодов определяется по формулам (7.6) и (7.7) при:

Е=0,5В; z=32 (ротор датчика имеет 32 зуба) равна:

по напряжению

по углу .

При такой погрешности возможно построение преобразователей числом разрядов не выше девяти, работающих в статическом режиме.

Приведённые выше выражения справедливы для медленно меняющихся процессов.

Сигналы с датчика модулированы по амплитуде. Амплитуда сигнала изменяется от угла поворота его вала по закону, близкому к гармоническому:

, (7.8)

где m - глубина модуляции,

- среднее значение сигнала.

При постоянной скорости вращения вала скорость изменения амплитуды

, (7.9)

где .

Максимальное изменение амплитуды за период Т

. (7.10)

Детектор должен отслеживать амплитуды, т.е. при уменьшении амплитуды за один период Т питающего датчик напряжения на (рисунок 7.4) ёмкость детектора должна разрядиться на величину .

Для максимальной скорости вращения вала должно обеспечиваться условие:

. (7.11)

При возрастании амплитуды максимальная величина пульсаций на выходе детектора будет равна:

. (7.12)

Формулы (7.8) и (7.12) позволяют связать максимальную скорость вращения вала датчика, частоту питания и погрешность, вызванную инерционными свойствами детектора :

. (7.13)

При малых значениях

- сдвиг фаз.

Рисунок 7.4 - Сдвиг фаз между двумя сигналами с измерительных обмоток растрового датчика

Рисунок 7.5 - Сдвиг фаз между выходными сигналами



- момент опроса компараторов.

Рисунок 7.6 - Результат сравнения двух выходных сигналов с компараторов при питании датчика током треугольной формы.

. (7.14)

Суммарная погрешность детектора:

. (7.15)

Для нормальной работы преобразователя при идеальном компараторе должно соблюдаться условие:

, (7.16)

где - цена единицы младшего разряда.

Максимальная скорость вращения вала восьмиразрядного преобразователя определяется из выражений (7.12), (7.14), (7.15) с учётом для частоты питания 4 кГц равна 8,8 рад/сек, для 10 кГц - 22 рад/сек.

В устройстве, построенном по второй структурной схеме (см. рисунок 7.3), при питании датчика синусоидальным током погрешности возникают из-за сдвига фаз между сравниваемыми выходными сигналами датчика (рисунок 7.5). Как видно из рисунка 7.5, погрешность от несинфазности равна:

, (7.17)

где ц - сдвиг фаз.

Питание током треугольной формы и опрос компараторов по окончании переходных процессов в датчике позволяют исключить ошибку от сдвига фаз, т.к. в этом случае фазовый сдвиг не влияет на результат сравнения (см. рисунок 7.6).

Быстродействие преобразователя с запоминающим устройством определяется методом обработки сигналов с растрового датчика. Максимальная скорость вращения входного вала датчика при амплитудно-логическом методе обработки равна

, (7.18)

при z=32 для Гц - рад/сек.

Гц - рад/сек.

7.2 Динамические погрешности растровых датчиков

Существенное влияние на точность преобразования оказывают методы обработки информационных сигналов с растровых трансформаторных преобразователей перемещений. Для оценки возможностей получения высоких метрологических показателей необходимо определить основные источники динамических погрешностей при использовании амплитудно-логического метода обработки сигналов.

Рисунок 7.7 - Выходные сигналы с растрового датчика

На рисунке 7.7 представлены выходные сигналы с растрового трансформаторного преобразователя перемещений.

При четырёх считывающих обмотках число квантов шкалы на один период преобразования N=8 (Д1Д8). В общем случае

N=2n. (7.19)

Чтобы опознать каждый из восьми квантов за один период изменения огибающих выходных сигналов, необходимо произвести не менее 8 опросов, т.е.

fo?8fд,

где - частота тока питания;

- частота дискретизации.

Допустим, что вал растрового датчика вращается с угловой скоростью , тогда угол поворота входного вала датчика равен

, (7.20)

где - время поворота входного вала растрового датчика.

Угол поворота входного вала датчика на один период преобразования согласно принципу работы и выражению (4.18)

, (7.21)

где z - количество зубьев ротора;

- время поворота входного вала на один период (на один зуб), тогда

. (7.22)

Из (3.20) следует, что

>. (7.23)

Суммарная погрешность преобразователя нормируется как половина цены деления кванта шкалы, что даёт возможность предполагать, что реальный квант может быть вдвое меньше расчётного. Это приводит к необходимости удвоить частоту опроса, тогда из (7.23) получим окончательно:

>2,54. (7.24)

В выходном сигнале датчика содержится генераторная ЭДС, которая обусловлена влиянием скорости измеряемого перемещения. Эта ЭДС является шумом по отношению к информационной составляющей сигнала. Она формирует динамическую погрешность растрового датчика.

Для её оценки представим потокосцепление одной измерительной обмотки датчика в виде:

, (7.25)

где W2 - число витков измерительной обмотки;

F(t) - магнитодвижущая сила;

- магнитная проводимость рабочего зазора.

В дальнейшем для анализа приняты следующие допущения:

- магнитное сопротивление магнитопроводов значительно меньше сопротивления рабочих воздушных зазоров <<R;

- вихревые токи в магнитопроводе не учитываются;

- взаимное влияние полюсов друг на друга отсутствует;

- магнитная проводимость рабочего зазора модулируется по синусоидальному закону.

Используя закон электромагнитной индукции, из выражения (7.25) найдём значение для выходного сигнала растрового датчика:

. (7.26)

Питание разработанных растровых преобразователей осуществляется стабилизированным током. Питание от генератора тока применено с целью устранения влияния температурных колебаний. Все обмотки возбуждения соединены последовательно-согласно. Генератор тока формирует ток:

, (7.27)

где - максимальное значение тока.

Магнитную проводимость рабочего зазора для полюсного деления представим в виде:

. (7.27)

Магнитодвижущую силу полюсной секции с учётом (7.27) выразим следующим образом:

, (7.28)

где - число витков обмотки возбуждения.

После дифференцирования выражений (7.27) и (7.28) согласно уравнению (4.24) с учётом равенства (4.18) получим выражение для выходного сигнала:

.

Анализ этого выражения показывает, что выходной сигнал состоит из трёх составляющих: ,

где - постоянная составляющая для

- трансформаторная ЭДС, являющаяся информационным сигналом;

- генераторная ЭДС, амплитуда которой пропорциональна скорости вращения вала.

Генераторная ЭДС является источником динамической погрешности. Она сдвигает фазу выходного сигнала. Для оценки этого сдвига представим

. (7.29)

Несложно показать, что при этом

, (7.30)

. (7.31)

Учитывая (7.29), (7.30) и (7.31), получаем:

(7.32)

Генераторная ЭДС сдвигает все выходные сигналы на одинаковый фазовый угол, следовательно, все границы смены кодов также смещаются одинаково, что не может уменьшить величину кванта шкалы и, следовательно, не может повлиять на точность обработки сигналов в электронном блоке.

Абсолютное значение динамической погрешности для одного периода:

. (7.33)

Отнеся это значение к угловому размеру кванта шкалы, получим выражение для относительной динамической погрешности растрового датчика:

, (7.34)

где n - число считывающих обмоток датчика.

Окончательное выражение динамической погрешности для растрового датчика угловых перемещений с учётом (7.26) выразим следующим образом:

(7.35)

Для растрового трансформаторного датчика линейных перемещений выражение (7.35) будет иметь следующий вид:

, (7.38)

где Q - шаг винтовой канавки штока.

Выражения (7.35) и (7.36) дают возможность оценить связь между конструктивными, схемными и метрологическими показателями.

Анализ выражения (7.33) позволяет заметить, что при =0 динамическая погрешность от генераторной ЭДС отсутствует, что используется при построении схемы обработки, в которой опрос сигналов со считывающих обмоток осуществляется в моменты прохождения тока возбуждения через нуль.

На рисунке 7.8 показана зависимость динамической погрешности от скорости вращения вала.

Следует отметить, что величина генераторной ЭДС может достигать значительной величины относительно трансформаторной (до 30% цены наименьшего разряда выходного кода), поэтому чувствительность преобразователя возрастает с увеличением скорости вращения вала. При этом снижается погрешность от влияния гистерезиса компараторов сравнения. При малых габаритах растрового датчика и значительных воздушных зазорах использование генераторной ЭДС в высокоскоростных измерениях может обеспечить увеличение чувствительности. Естественно, при этом целесообразно провести тщательный анализ общей погрешности растрового датчика.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7.8 - Зависимость динамической погрешности от скорости вращения входного вала датчика

Анализ выражения для динамической погрешности позволяет сделать выводы о том, что при стремлении повысить точность преобразования (что можно осуществить увеличением числа зубьев растров z и количества считывающих обмоток n) соответственно увеличивается и динамическая погрешность, т.е. происходит обмен быстродействия на точность. Приведённые выражения (7.33), (7.34) и (7.35) могут быть использованы как при анализе, так и при синтезе растровых трансформаторных преобразователей перемещения.

Заключение

В результате дипломного проекта были проведены следующие работы:

Рассмотрены методы измерения угловых перемещений и выбран растровый трансформаторный датчик угловых перемещений для работы в условиях воздушной температуры окружающей среды от -60 до +200 0 C.

Проведен анализ обработки выходных сигналов с растрового датчика. В результате чего выявлено, что схемы для обработки синусоидальных сигналов применимы для обработки несинусоидальных сигналов.

Рассчитаны основные конструктивные соотношения датчика угловых перемещений, и выбран диаметр ротора, диаметр статора, количество зубьев ротора и статора, диаметр и длинна моточного провода.

Разработана схема электрическая принципиальная датчика угловых перемещений.

Разработаны функциональная и электрическая принципиальная схемы вторичного преобразователя, а применение амплитудно-логического метода, обработки сигналов позволило снизить температурную погрешность преобразователя до 0,001 % на 10 0C.

Рассчитаны инструментальные погрешности датчика угловых перемещений, а так же динамическая погрешность. Рассчитанная суммарная основная погрешность преобразователя = 0,0998% не превышает заданную по Т.З. равную 0,1%.

Рассчитанные экономические показатели проекта свидетельствуют о том, что разработанный проект считается эффективным.

Разработанный преобразователь угловых перемещений в код полностью соответствует требованиям указанным в задании на дипломный проект и может быть использован для определения положения заслонки топливного агрегата ракетного двигателя.

Литература

1. Агейкин Д.И., Костин Е.Н., Кузнецова Н.Н. Датчики контроля и регулирования. - М., Машиностроение, 1965.-928 с.

2. Адыгезалов В.С., Ширипова А.Я. К измерению полезного сигнала линейных многозвенных соленоидных преобразователей.// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2002. №7, с.44-46.

3. Ахмеджанов. Электромеханические преобразователи угла с электрической редукцией. - М., Энергия, 1978 -224 с.

4. Алиев Т.М., Мирсалимов Р.М., Ибрагимов В.Б. Аналого-цифровые преобразователи угловых перемещений для информационных микромашин // Измерения, контроль, автоматизация, 1979, №2(18), с.13-20.

5. А.с. №591900.

6. А.с. №512483.

7. А.с. №446093.

8. Агалаков А.А. Измерительные цепи ёмкостных и индуктивных датчиков. // Приборы, 2001, №8(14), с. 24-27.

9. Аксененко В.Д. Автоматическая коррекция погрешности датчика угла // Авиокосмическое приборостроение, №6, 2003, с. 2-7.

10. Баринов Н.И., Трофимов А.А. Универсальный растровый трансформаторный датчик перемещений. Сборник материалов конференции "Человек и Космос" -Днепропетровск, 2002, с.312.

11. Баканов М.В., Лыска В.А., Алексеев В.В.. Информационные микромашины следящих счётно-решающих систем. - М.: Советское радио, 1977, 88 с.

12. Баринов Н.И., Трофимов А.А. Датчики углового положения для внутритрубного профилемера. Сборник материалов конференции “Нефтегазовая отрасль: тенденции и перспективы развития”. Саратов, 2002, с.20-21.

13. Белов С.В., Девисилов В.А. и др.Безопасность жизнедеятельности. М.: Высшая школа,2002г.

14. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник - М.: Высшая школа, 1983, 536 с.

15. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное -М: Сов. Радио, 1977, 240 с.

16. Вороничев П.П., Менгазетдинов Н.Э. Инкрементные ёмкостные преобразователи перемещений. // Датчики и системы, 2001, №3, с.6-11.

17. Гитис Э.И., Пискунов Е.А. Аналого-цифровые преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1981 -360 с.

18.ГОСТ Р 12.3.227-03.ССБТ. Пожарная безопасность технологических процессов. Общие требования .Методы контроля.

20. ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны»// www.referent.ru

21.ГОСТ 12.0.003-74. Опасные и вредные производственные факторы.- М.: ИПК Издательство стандартов, 1973;

22. Дадашева Р.Б., Мамедов Ф.И. Расчёт параметров двухмерного дифференциального датчика перемещений // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2001, №10, с.61-63.

23. Домрачев В.Г. Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла. - М., Энергоатомиздат, 1984. -328 с.

24. Домрачев В.Г., Мейко Б.С. О тенденциях развития цифровых преобразователей угла. // Приборы и системы управления, 1978, №10,с.20-23.

25. Девисилов В.А. Охрана труда.М.:Издательство: Форум,2007г.

26. Жданкин В. Поворотные шифраторы: основные типы и некоторые особенности применения // Современные технологии автоматизации, 2001, №2, с.68-79.

27. Конаков Н.Д., Трофимов А.А. Высокотемпературные датчики перемещений на основе металлокерамических катушек индуктивности. Сборник Российско-Германской конференции "Датчики и Системы".-Санкт- Петербург 2002, с. 242-245.

28. Корн Г. Корн Т. справочник для научных работников и инженеров/пер. с англ.; Под ред. И.Г. Арамановича. - М.: Наука, 1970.

29. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчёт индуктивностей. -Л.: Энергоатомиздат, 1986.

30. Кочкарёв В.С. Разработка и исследование электромагнитных цифровых преобразователей перемещения. Канд. диссертация. Уфа, 1982, 223 с.

32. Курахтанов Г.И., Москалев А.И., Тараев В.Ф. Метод преобразования угла поворота вала в код // Приборы и системы управления, 1978, №10, с.24-26.

33. Кочкарёв В.С., Семёнов В.В., Воплин В.С. Разработка метода расчёта магнитной проводимости в зубцовых зазорах трансформаторных датчиков перемещений // Датчики и устройства систем управления и контроля: Сб. науч. тр. / Куйбышев. Авиац. ин-т. - 1985.- с.20-25.

34. Кунин П.П. Безопасность жизнедеятельности. Безопасность технологических процессов и производств(охрана труда): уч. пособие для ВУЗОВ/ П.П.Кунин, В.Л.Ланин, Е.А.Подгорных.- М.: Высшая школа, 1999г.

35. Муттер В.М. Аналого-цифровые автоматические системы. - Л.: Машиностроение, 1981, 199 с.

36. Морозов В.И. Динамические свойства датчика быстрых угловых перемещений источника излучений. - Датчики и системы, 2001, №3, с. 18-21.

37.Онищенко Г.Г.: СаНПиН 23-05-95“Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы”.Утверждено главным санитарным врачом РФ Г.Г.Онищенко. 30 мая 2003 // www.referent.ru

38. Охрана труда в радио- и электронной промышленности./Под ред. С.П. Павлова. - М.: Радио и связь, 1985. - 200 с.

39.СанПиН 2.2.1/2.1.1. 1278-03. Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий. М.: Минздрав РФ, 2003г.

40.СниП 21-01-97. Пожарная безопасность зданий и сооружений. М.: Госстрой России, 1997г.

41. Темников Ф.Е., Славинский В.Л. Математические развёртывающие системы. - М.: Энергия, 1970, 120 с.

42. Трофимов А.А. Многофункциональный датчик перемещений. Сборник материалов конференции "Измерения - 2002". Пенза, 2002, с.40-41.

43. Трофимов А.А. Анализ инструментальных погрешностей растровых трансформаторных преобразователей. Сборник материалов ВНТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» Пенза, 2001, с. 14-15.

44. Трофимов А.А. Конаков Н.Д Результаты исследований возможности расширения диапазона измерения бесконтактных амплитудно-фазовых трансформаторных датчиков линейных перемещений. Сборник материалов ВНТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления». Пенза, 2001, с. 15-17.

45. Трофимов А.А. Бесконтактный датчик перемещений на основе металлоплёночного чувствительного элемента. Сборник трудов международной конференции “Методы и средства измерения в системах контроля и управления”. Пенза, 2002, с. 41 - 42.

46. Трофимов А.Н., Трофимов А.А. Растровый трансформаторный датчик угловых перемещений. Сборник трудов международной конференции “Методы и средства измерения в системах контроля и управления”. Пенза, 2002, с.19 - 20.

47. Трофимов А.Н., Трофимов А.А. Трансформаторные датчики перемещений работоспособные в широком диапазоне температур. Сборник материалов 8-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений», часть 1, МГТУ им. Н.Э. Баумана, - М., 2002 г., с.95-96.

48. Трофимов А.Н., Быченков В.И. Растровые трансформаторные датчики перемещений // Приборы и системы управления, 1990, №10, с.15-17.

49. Яковлев Н.И. Проблемы проектирования бесконтактных средств измерения с магниточувствительными датчиками // Приборы, 2002, №9, с.22-29.

Приложение

Поз. обозн.	Наименование	Кол.	Примечание
X1	Вилка СНЦ 42-19/12 В-1-В
	ГЕО. 364. 245 ТУ	1
X1	Вилка СНЦ 42-30/14 В-1-а-в
	ГЕО. 364. 245 ТУ	1
X3	Вилка СНЦ 42-19/12 В-1-В
	ГЕО. 364. 245 ТУ	1
=КИ	Канал измерительный	1
	Конденсаторы К10-17 ОЖО. 460.107 ТУ
	Конденсаторы К53-22 ОЖО. 464.158 ТУ
С1,С2	К53-22-32 В-10 мкФ20%	2
С3,С4	К10-17-2в-Н90-0,22 мкФ-6	2
С5…С8	К10-17-2в-М47-39 пФ10%-1	4
С9,С10	К10-17-2в-М47-470 пФ10%-3	2
С11…С14	К10-17-2в-Н90-0,0022 мкФ-6	4
С15,С16	К53-22-32 В-10 мкФ20%	2
С17	К10-17-2в-Н90-0,22 мкФ-6	1
С18	К53-22-32 В-10 мкФ20%	1
С19	К10-17-2в-Н90-0,22 мкФ-6	1
С20	К10-17-2в-Н90-0,1 мкФ-1	1
С21	К10-17-2в-Н90-0,22 мкФ-6	1

Размещено на Allbest.ru