Разработка устройства для контроля неэлектрической величины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Разработка устройства для контроля неэлектрической величины



Содержание

Задание, исходные данные

Введение

1. Выбор измерительного преобразователя

2. Расчет цепи предварительного преобразования

2.1 Выбор схемы цепи предварительного преобразования

2.2 Расчет параметров цепи предварительного преобразования

3. Расчет согласующей цепи

3.1 Выбор схемы согласующей цепи

3.2 Выбор допустимой погрешности согласующей цепи и добавочного резистора

3.3 Расчет сопротивления добавочного резистора:

3.4 Расчет мощности добавочного резистора

3.5 Расчет параметров цепи обратной связи

3.6 Расчет мощности резисторов обратной связи

3.7 Класс точности резисторов обратной связи

3.8 Мощность измерительного механизма

3.9 Расчет мощности усилителя:

4. Полная схема измерительного устройства

5. Спецификация



Задание

Разработать принципиальную схему и рассчитать параметры составных элементов устройства для контроля отклонения от номинального значения неэлектрической величины X.

Дать описание структурных схем измерительных цепей, указать их применение и выбрать схему, соответствующую заданию.

Выбор измерительного преобразователя

Описать принцип действия и конструктивное исполнение измерительных преобразователей, с помощью которых можно измерить заданную контролируемую неэлектрическую величину. Выбрать конкретный вид преобразователя для своей работы.

Расчет цепи предварительного преобразования.

Дать описание видов цепей предварительного преобразования и их характеристик.

Выбрать схему предварительного преобразования. Рассчитать параметры цепи предварительного преобразования.

Расчет согласующей цепи

Дать описание видов согласующей цепи и их характеристик, выбрать схему согласующей цепи и рассчитать её параметры.

Спецификация

Исходные данные

1. Неэлектрическая величина - Т (температура)

2. Доп. отклонение неэлектрической величины - д_{x =}50%

3. Номинальное сопротивление измерительного преобразователя - 600 Ом

4. Чувствительность измерительного преобразователя к изменению контролируемой величины - Sпр = 4

5. Погрешность измерительного преобразователя - д_пр = 0,6%

6. Мощность измерительного преобразователя - P_пр = 0,5 Вт

7. Коэффициент усилении усилителя - K_ус =600

8. Погрешность усилителя - 30%

9. Верхний предел измерения по напряжению выходного измерительного механизма - Uнmax = 300мВ

10. Верхний предел измерения по току выходного измерительного механизма - Iнmax = 30мА

11. Класс точности выходного измерительного механизма - Kт = 0,2%

12. Общая погрешность устройства - доб = 2,5%

В наличии имеются набор постоянных и переменных резисторов

с сопротивлением

R, Ом	5050	10100100	20200	500	600	1000

классами точности

Кт	00,2	0,5	1	1,1,5

мощностями

P, Вт	0,1	0,2	0,5	1	2



Введение

1. Измерительные цепи с генераторными преобразователями

Генераторные преобразователи сами генерируют выходную ЭДС под действием измеряемой неэлектрической величины

Эта ЭДС может измеряться непосредственно измерительным механизмом, если он имеет высокую чувствительность. Если чувствительность прибора недостаточна, то используют согласующую цепь в виде усилителя.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

2. Измерительные цепи с параметрическими преобразователями

Выходной величиной параметрического преобразователя является параметр электрической цепи (R), и для построения измерительной цепи этот параметр необходимо преобразовать в электрический сигнал.

Такое преобразование осуществляется с помощью цепей, которые называют цепями предварительного преобразования.

Выходной сигнал цепи может измеряться непосредственно измерительным механизмом, если он достаточно чувствителен или используется согласующая цепь.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Выбор измерительного преобразователя

Измерение температуры можно осуществить с помощью измерительных преобразователей неэлектрических величин.

По виду выходной электрической величины преобразователи разделяют на параметрические и генераторные. У параметрических преобразователей, выходным сигналом является параметр электрической цепи, а в генераторных преобразователях выходной величиной является ЭДС.

Генераторные преобразователи сами генерируют выходную ЭДС под действием измеряемой неэлектрической величины. Эта ЭДС может непосредственно измеряться измерительным прибором. В этом случае измеряется полное значение контролируемой неэлектрической величины. Т.к нам необходимо определить отклонение от номинального значения неэлектрической величины, используем параметрические преобразователи, которые могут измерять отклонение от номинального значения. Выходной величиной параметрического преобразователя является параметр электрической цепи -R.

Способ измерения температуры с помощью термопары не подходит, т.к они относятся к генераторным преобразователями, выходной величиной которых является ЭДС

Для измерения температуры используем терморезисторы.

Их принцип действия основан на зависимости сопротивления проводников и полупроводников от температуры.

В проводниковых преобразователях с увеличением температуры сопротивление возрастает, т.к усиливаются колебания атомов кристаллической решетки металла, что приводит к снижению подвижности электронов.

В ограниченном диапазоне температур эта зависимость носит линейный характер

с =с₀ (1+б_с ?T⁰)

с-удельное сопротивление металла

б_с-температурный коэффициент сопротивления

Сопротивление проводников изменяется по линейному закону:

В полупроводниковых преобразователях с ростом температуры, под действием тепловой энергии происходит термоионизация атома полупроводника, что приводит к росту зарядов, способных преодолеть запрещенную зону и росту их подвижности.

Это приводит к увеличению электропроводимости и уменьшению сопротивления.

Эта зависимость определяется формулой:

с =с₀ e^-kT

k- пост коэффициент



Терморезистор помешают в те точки объекта, температуру которого хотят измерить, измеряют его сопротивление, а затем с помощью его температурной кривой по измеренному значению сопротивления определяют его температуру, а затем температуру точки контролируемого объекта.

Конструкция терморезисторов:

а) Проводниковые проволочные

Двойная обмотка исключает индуктивное сопротивление измерителя.

б) Проводниковые малогабаритные

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

в) Полупроводниковые

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



Материалы терморезисторов

а) Проводниковые

Ni (до +150⁰)- никель

Cu (до +200⁰)-медь

W (до +400⁰)-вольфрам

Pt (до +650⁰)-платина

б) Полупроводниковые

Медномарганцевый терморезистор

Кобальтомарганцевый терморезистор.

Выбираем проводниковый терморезистор

Выходной величиной параметрического преобразователя является параметр электрической цепи (R), и для построения измерительной цепи этот параметр необходимо преобразовать в электрический сигнал. Такое преобразование осуществляется с помощью цепей, которые называют цепями предварительного преобразования.

неэлектрический конструктивный измерительный преобразователь



2. Расчет цепи предварительного преобразования:

2.1 Выбор схемы цепи предварительного преобразования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Цепи предварительного преобразования выполняют по схемам делителей напряжения или мостовым схемам цепи.

Цепи в виде делителей напряжения не подходят, т.к они измеряют полное значение контролируемой величины

Поэтому выбираем мостовую схему, т.к они используется для контроля отклонения контролируемой неэлектрической величины от исходного заданного значения.

Выбираем схему с одним контролируемым резистором , т.к выбрали проводниковый терморезистор, сопротивление которого при нагреве увеличивается, поэтому мостовая схема, включенная в противофазе с линейной функцией преобразования не подходит.

2.2 Расчет параметров цепи предварительного преобразования

Параметры резисторов R₁, R₃, R₄, выбирают, если это возможно, равными параметрам преобразователя, т.к в этом случае обеспечивается наибольшая чувствительность цепи и их равноценное влияние по мощности и погрешности.

Напряжение питания определяется по мощности резисторов и преобразователя, т.к сопротивление и мощность их выбирается одинаковой.



Падение напряжения на каждом резисторе равно:

Мощность каждого резистора:

В практике, с целью облегчения режимов работы резисторов и преобразователя напряжение питания выбирают в 1.5-2 раза ниже расчетного и округляют до целых значений.

С учетом коэффициента запаса

Мощность источника питания выбирается из условия:

;

С учетом коэффициента запаса принимаем:



Вт

Отклонение значения неэлектрической величины от исходного значения:

Опасным явлением для нашей схемы является перегрев, поэтому изменение контролируемой величины берем с плюсом.

Выходное напряжение цепи предварительного преобразования определяется по формуле:

=

=

==, т.е

В цепи имеют место два вида погрешностей:

Инструментальные

Методические

Инструментальные погрешности обусловлены погрешностями резисторов.

Погрешности этих элементов носят случайный характер, не коррелированны между собой, поэтому их суммируют геометрически.

В целях обеспечения равномерного влияния погрешности всех составляющих, принимаем условие:

д_I=±0.6%

Из имеющихся выбираем д_I=±0.5%



3. Расчет согласующей цепи

3.1 Выбор схемы согласующей цепи

Внутреннее сопротивление выходного измерительного механизма равно:

R_и=10 Ом

Так как в мост включены высокоомные резисторы, а измерительный механизм низкоомный, следовательно, для их согласования используем согласующую цепь.

Согласующие цепи выполняются на базе усилителей, которые имеют высокое входное сопротивление и достаточную выходную мощность.

Высокое входное сопротивление усилителя исключает методическую погрешность в величине выходного напряжения мостовой цепи.

Выходная мощность усилителя должна обеспечивать работу выходного измерительного механизма, по которому проводится отсчет результата измерения.

Согласующие цепи выполняются по схемам:

прямого преобразования

уравновешивающего преобразования.

Цепи прямого преобразования выполняются в виде последовательно соединенных усилителей, каждый из которых имеет свой коэффициент усиления и свою погрешность.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Общая погрешность разрабатываемого устройства определена погрешностями всех составных элементов:

Указанное условие не выполняется, т.к погрешность усилителя составляет ±30%, согласующая цепь не обеспечивает требуемой точности, следовательно усложняем схему и строим её в виде цепи уравновешивающего преобразования с резисторами обратной связи.

Цепи уравновешивающего преобразования выполняются по схеме замкнутой системы управления, в которой часть выходного сигнала подается на вход цепи и сравнивается с выходным сигналом.

Резисторы R_ос1 и R_ос2 образуют цепь обратной связи

Измерительный механизм имеет небольшой сопротивление, выходное напряжение цепи предварительного преобразования превышает допустимый предел измерения, поэтому, для расширения пределов измерения по напряжению выходного измерительного механизма используем добавочный резистор.

Схема приобретает вид:



3.2 Выбор допустимой погрешности согласующей цепи и добавочного резистора

Общая погрешность цепи определяется погрешностями всех составных элементов

В целях равноценного влияния погрешности согласующей цепи и добавочного резистора на общую погрешность устройства выбираем условие:

д _согл =д _{доб, тогда}

Погрешность цепи уравновешивающего преобразования определена в основном погрешностью цепи обратной связи, т.е погрешностью резисторов R_ос.

Из имеющихся резисторов выбираем резисторы с погрешностью



Проверка правильности выбранных параметров

Коэффициент передачи согласующей цепи определяется из условия

В этом случае погрешность согласующей цепи будет равна

=

Выбранные параметры согласующей цепи обеспечивают заданным условиям по точности.

3.3 Расчет сопротивления добавочного резистора

где U_вых -выходное напряжение согласующей цепи

I- верхний предел измерения по току выходного измерительного механизма

Сопротивление добавочного резистора:

Из имеющихся резисторов выбираем переменный резистор с сопротивлением 1000 Ом, в целях обеспечения регулировки измерительного устройства.

3.4 Расчет мощности добавочного резистора

Из имеющихся резисторов, с учетом коэффициента запаса выбираем резистор мощностью 2Вт.

3.5 Расчет параметров цепи обратной связи

Коэффициент передачи цепи обратной связи

Иcходя из условия R_ос1>>R_oc2 из имеющихся резисторов выбираем R_oc2=50 Ом.

R_oc1=950 Ом

Из имеющихся резисторов выбираем переменный резистор с сопротивлением 1000 Ом, в целях обеспечения регулировки измерительного устройства.

3.6 Расчет мощности резисторов обратной связи

Из имеющихся резисторов с учетом коэффициента запаса, выбираем резистор мощностью 2Вт.

3.7 Класс точности резисторов обратной связи

В целях равноценного влияния погрешностей обратной связи выбираем резисторы с одинаковой погрешностью.

Из имеющихся резисторов выбираем резисторы с К_т= 0,5%

3.8 Мощность измерительного механизма

3.9 Расчет мощности усилителя:

С учетом коэффициента запаса выбираем резисторы мощностью2 Вт

Полная схема измерительного устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/



5. Спецификация

Элемент цепи	Обозначение на схеме	Тип	Номинал	Мощность	Погрешность,%
Измерительный механизм	И	Магнито-электрический	300мВ 30мА	9*10-3 Вт	0,2
Усилитель	У	Постоянного тока	Ку=600	2 Вт	30
Добавочный резистор	Rдоб	Переменный	1000 Ом	2 Вт	1
Сопротивление ОС1	Roc1	Переменный	1000 Ом	2 Вт	1
Сопротивление ОС2	Roc2	Постоянный	50 Ом	2 Вт	1
Сопротивление R1	R1	Постоянный	600 Ом	0,5 Вт	1
Сопротивление R3	R3	Постоянный	600 Ом	0,5 Вт	1
Сопротивление R4	R4	Постоянный	600 Ом	0,5 Вт	1
Терморезистор	Rпр	Постоянный	600 Ом	0,5 Вт	1

Размещено на Allbest.ru