Разработка универсального тахометра

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Схемотехническая часть

1.1 Измерения радиальной скорости

1.2 Методы измерения, используемые в устройстве

1.3 Описание работы схемы

2. Конструкторская часть

2.1 Конструирование РЭА

2.2 Методы обеспечения технологичности конструкции РЭС

2.3 Организация процесса проектирования РЭС

2.4 Основные требования, предъявляемые к РЭС

2.5 Классификация РЭС

2.6 Категории РЭС

2.7 Выбор и обоснование конструкции универсального тахометра

3. Технологическая часть

4. Расчетная часть

4.1 Электрический расчет

4.2 Конструкторский расчет

4.3 Конструктивно-технологический расчет

4.4 Определение минимальной ширины печатного проводника

4.5 Определение диаметров контактных отверстий

4.6 Определение диаметра контактных площадок

4.7 Определение минимального расстояния между элементами проводящего рисунка

4.8 Расчет надежности

5. Производственные и экономические расчеты

5.1 Производственные расчеты

5.2 Экономические расчеты

6. Мероприятия по охране труда, технике безопасности и охране окружающей среды

Заключение

Список литературы

Введение

Угловая скорость -- векторная физическая величина, характеризующая скорость вращения материальной точки вокруг центра вращения. Вектор угловой скорости по величине равен углу поворота точки вокруг центра вращения в единицу времени

Современные приборы, основанные на разнообразных принципах, механических, электрических, магнитных и т.д. применялись и применяются для измерения средних значений скоростей. Поведение этих приборов при неустановившемся режиме работы поддается измерению лишь некоторыми методами. Так же, многие приборы оказывают воздействие на вращающуюся деталь либо имеют серьезные погрешности и сложности в установке и настройке, еще чаще эти проблемы встречаются все вместе.

Задачей этого дипломного проекта становится разработка универсального тахометра, основанного на методах, не требующих контакта с деталью, угловая скорость которой измеряется, либо сводящих этот контакт к минимуму посредством меток или дисков с метками. При этом универсальный тахометр способен измерять скорость вращения используя данные всего одного оборота детали, что дает высокую скорость и точность измерений, а так же возможность отслеживания динамики изменений угловой скорости исследуемой детали.

Прибор предлагается использовать в лабораториях технических учебных заведений, для наглядного сопровождения тем, касающихся измерений угловой скорости и стробоскопического эффекта. Помимо этого прибор использует несколько методов измерения, что расширяет область его применения на лекциях.

1. Схемотехническая часть

1.1 Измерения радиальной скорости

Для измерения радиальной скорости объектов существуют следующие методы:

- Центробежный метод, основанный на зависимости центробежных сил от угловой скорости вращения инерционной массы;

- Центробежный метод характерен тем, что чувствительный элемент реагирует на центробежную силу, развиваемую неуравновешенными массами вращающегося вала. Этот метод реализуется в коническом и кольцевом тахометрах.

В коническом тахометре (рис. 1, а) на шарнирах, вращающихся вместе с осью, установлены грузики т, которые под действием центробежных сил расходятся, перемещая вдоль оси муфту 1 и сжимая пружину 2. Изменение положения муфты 1 регистрируется показывающим элементом тахометра -- стрелкой. В кольцевом тахометре (рис. 1, б) при невращающейся оси 2 (щ = 0) плоскость кольца наклонена по отношению к оси на определенный угол. При вращении кольцо стремится занять положение, перпендикулярное оси вращения, и вызывает перемещение муфты 1 и стрелки отсчетного устройства.

Центробежные тахометры нередко применяются в качестве преобразователей в регуляторах частоты вращения. Недостатком этих средств измерения является отсутствие дистанционности, значительные погрешности и технологические трудности в изготовлении и регулировании.

Достоинствами центробежного тахометрического узла являются простота конструкции, сравнительно высокая точность измерения, и независимость показаний от направления вращения.



Рисунок 1. Механические тахометры

К недостаткам следует отнести нелинейность статической характеристики, особенно заметную в начале шкалы; сравнительно малый диапазон измерения скорости вращения, который характеризуется величиной отношения от 4 до 6, малую дистанционность измерения; ограниченную предельно допустимой длиной гибкого валика (2,5 м).

Для расширения диапазона измерения центробежных тахометров применяют в одних случаях пружины переменной жесткости, а в других - специальные механические редукторы с ручным переключением скоростей вращения вала тахометра при переходе с одного предела на другой. Так, например, переносные (ручные) тахометры часто выполняются многопредельными, т.е. снабжаются коробкой скоростей, позволяющей менять диапазон измеряемых скоростей. Ручной тахометр ИО-10 имеет следующие диапазоны измерения скоростей: 25-100; 75-500; 250-1000; 750-5000; 2500-10000 об/мин. Тахометр имеет циферблат с двумя концентричными шкалами, соответствующими двум группам диапазонов скоростей.

Часовой метод, основанный на зависимости угла поворота вала за фиксированный промеж уток времени от угловой скорости его вращения;

Принцип действия часового тахометра состоит в том, что угловая скорость измеряется по числу оборотов испытуемого вала за определенный промежуток времени. Таким образом, с помощью часового тахометра определяется не мгновенное значение угловой скорости, а ее среднее значение за известный промежуток времени.

(1)

(2)

где - число оборотов испытуемого вала за промежуток времени;

Выражая угловую скорость числом оборотов в минуту, получаем зависимость (3) в виде:

(3)

Часовые тахометры часто называют тахометрами средней скорости, а также тахоскопами. Для определения промежутка времени в часовом тахометре имеется часовой механизм, отчего эта группа тахометров и получила свое название. По степени автоматизации процесса измерения часовые тахометры могут быть неавтоматические, полуавтоматические и автоматические. Механизм ручного неавтоматического часового тахометра (тахоскопа) состоят из счетчика оборотов, секундомера с ценой оборота стрелки 60 с, пускового устройства и устройства для установки счетчика оборотов и секундомера на нулевое показание. Приводной валик тахоскопа соединяется с испытуемым валом, после чего оператор нажатием на пусковую кнопку одновременно включает счетчик оборотов и секундомер. Наблюдая показания секундомера оператор через 60 с выключает счетчик, показания которого дают среднюю за 60 с скорость испытуемого вала в об/мин.

Полуавтоматический часовой тахометр отличается тем, что выключение счетчика оборотов происходит автоматически через определенный промежуток времени после пуска. Пуск и установка счетчика в нулевое положение производится оператором вручную. Шкала счетчика градуируется в об/мин.

Схема полуавтоматического часового тахометра типа 9ЧП приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Полуавтоматический часовой тахометр

Пуск механизма производится нажатием на кнопку пускового рычага 1. При нажатии заводится пружина 14 часового механизма. Одновременно пусковой рычаг поворачивает сердечко (кулачок) 11 сидящее фрикционно на центральной оси 10, возвращая стрелку 12 на нулевую отметку циферблата 13. После опускания кнопки стрелка и центральная ось остаются застопоренными собачкой 6, сцепленной с колесом 9, неподвижно сидящим на центральной оси. Приводной валик 7 был присоединен к испытуемому валу перед пуском тахометра: он может вращаться благодаря проскальзыванию во фрикционной муфте 8. Заведенная пружина 14 приводит в действие часовой механизм, спусковое колесо 2 начинает вращаться, палец 5 спускового колеса нажимает на собачку 6, освобождая колесо 9 и ось 10. Стрелка начинает вращаться. По истечении определенного времени (обычно 3 или 6с.) палец 5 освобождает собачку 6, которая стопорит колесо 9 и ось 10. Стрелка останавливается и по шкале можно произвести отсчет измеренной угловой скорости. После измерения прибор отключают от испытуемого вала. Характеристика этого тахометра имеет вид:

(4)

(5)

где, - угол поворота стрелки счетчика в рад;

- передаточное отношение передачи между осью стрелки и приводным валиком тахометра;

- время работы счетчика в с.

Относительная приведенная погрешность тахометров этого типа не должна превышать ±1% при установке прибора в нормальном положении (шкала горизонтальна, приводной вал и проверяемый соосны) и при температуре в пределах 20±5 °С.

Непрерывное измерение угловой скорости осуществляется автоматическими часовыми тахометрами. В этих приборах включение и выключение счетчика осуществляется периодически часовым механизмом, приводимым в действие от приводного валика тахометра через фрикцион. Указатель счетчика после каждого измерения не устанавливается на нулевую отметку шкалы, а показывает результат последнего измерения до завершения следующего измерения.

Недостатками часовых тахометров считается неизбежность воздействия на движущуюся деталь, и если на крупной детали с высокой скоростью вращения это воздействие минимально, то на небольшой вал часовой тахометр может оказать сильное воздействие, что приведет к высокой погрешности

· Фрикционный метод, основанный на самовыравнивании (за счет трения скольжения) окружной скорости вращения фрикционного ролика с окружной скоростью конуса, вращающегося с постоянной угловой скоростью;

Простейшая схема фрикционного тахометра представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Фрикционный тахометр

Через зубчатую передачу 1-2 электродвигатель вращает диск 3 с постоянной угловой скоростью. Диск приводит во вращение ролик 4 за счет трения между ними. Угловая скорость ролика будет пропорциональна угловой скорости диска и расстоянию от ролика до оси вращения диска и обратно пропорциональна радиусу ролика.

Если скорость винта 5 и ролика 4 неодинаковы, ролик будет перемещаться вдоль винта. Направление перемещения таково, что скорость ролика будет приближаться к скорости винта. При установившейся скорости винта ролик займет такое положение, при котором его скорость будет равна скорости винта. При этом получается:

 или: (6)

(7)

где - расстояние ролика от оси вращения диска;

- радиус ролика.

Так как - величина постоянная для данного тахометра, то следовательно расстояние ролика до оси вращения диска пропорционально измеряемой угловой скорости.

Следовательно, соединенный с роликом указатель будет показывать по шкале величину измеряемой угловой скорости.

Чувствительным элементом вибрационного тахометра является ряд упругих стальных полос, закрепленных одним концом, каждая из которых настроена на определенную собственную частоту колебаний. Настройка достигается за счет изменения толщины или длины пластин, а также за счет изменения величины масс на свободных концах полосок. Для измерения скорости вала какой-либо машины или станка тахометр крепится к станине или кожуху машины. При вращении вала возникает вибрация частей машины; эта вибрация передается основанию тахометра; при этом возбуждаются резонансные колебания одной-двух полосок, собственные частоты которых близки к частоте вибраций машины.

Недостатками данного метода можно считать необходимость контакта тахометра с вращающейся деталью. Так же задействованные стальные полосы подвержены эффекту «усталости металла» что может привести к погрешности измерений.

Магнитоиндукционный метод, основанный на увлечении проводящего тела (цилиндра, диска и др.) полем вращающегося постоянного магнита благодаря взаимодействию наводимых в проводящем теле индукционных токов с магнитным полем постоянного магнита;

Принцип действия измерительного механизма магнитоиндукционного тахометра (рис. 4) основан на силовом взаимодействии поля постоянного магнита и токов, возникающих в металлическом теле при его движении в магнитном поле.

Рисунок 4. Магнитоиндуктивный тахометр

Постоянный магнит 4 соединен с осью тахометра 5. При движении магнита его магнитное поле непрерывно пересекает цилиндрический колпачок 3 из алюминия. Возникающие в толще алюминия вихревые токи взаимодействуют с магнитным полем и увлекают колпачок в сторону вращения магнита. С осью колпачка связана стрелка указателя 1. Противодействующий момент создается спиральной пружиной 2. Сила взаимодействия вихревых токов, индуктируемых во вращающемся колпачке, и магнитного поля зависит от скорости вращения. Поэтому угол отклонения стрелки пропорционален скорости вращения выходного вала и шкала магнитного тахометра равномерная.

Магнитоиндукционные тахометры очень просты и надежны в эксплуатации. Они нашли широкое применение на самолетах, в автомобильных спидометрах и во многих других приборах. Приводной валик автомобильного спидометра соединяется с одним из валов коробки передач автомобиля посредством гибкого валика. Механизм самолетного тахометра обычно соединяется с контролируемым валом при помощи электрической синхронной передачи.

Недостатком магнитоиндуктивного метода можно считать зависимость ЭДС от скорости вращения вала. Так, если скорость вращения мала -- ЭДС будет недостаточной для измерений, а если слишком велика -- избыточна, что тоже может привести к погрешности. Из-за перепадов скоростей возникает необходимость использования большого диапазона частот, что приводит к усложнению устройства.

Импульсный метод, основанный на определении частоты электрических импульсов, формируемых с помощью контактного или бесконтактного (фотоэлектрического, индуктивного, емкостного и др.) прерывателя или коммутатора, связанного с валом, скорость вращения которого контролируется;

За последние годы начали развиваться электрические приборы, у которых измерение угловой скорости сводится к измерению частоты импульсов электрического тока, генерируемого вращающимся валом. Современная электроизмерительная техника позволяет производить такие измерения с более высокой точностью, чем непосредственное измерение угловой скорости. Благодаря строгому постоянству соотношения между числом оборотов вала и частотой импульсов точность измерения угловой скорости при помощи этих приборов удается доводить до 0,01%. Приборы этого типа показывают мгновенное значение угловой скорости и могут быть названы электрическими импульсными тахометрами. Показания их выражают среднюю угловую скорость за короткий промежуток времени (0,5-0,6 сек.)

Такие приборы называют электронными тахоскопами, хотя вследствие краткости измерительного периода (меньше секунды) они также дают практически мгновенные значения угловой скорости. Значит, в каждом диапазоне тахометр измеряет разницу между истинным значением скорости и наибольшим значением шкалы предыдущего диапазона. К этой группе относятся импульсные приборы для измерения средней угловой скорости, которые по принципу измерения подобны механическим тахоскопам. Средняя угловая скорость измеряется путем счета импульсов, генерируемых датчиком за определенный отрезок времени. Они были созданы для счета импульсов, поступающих из счетчиков радиоактивного излучения, откуда и были заимствованы для целей измерения угловой скорости. Сличение производится при нескольких скоростях в пределах шкалы поверяемого тахометра. Для этой цели служат специальные установки, позволяющие осуществить в широких пределах плавное изменение угловой скорости вала, приводящего во вращение сличаемые тахометры.

Недостатками таких приборов можно считать относительную сложность исполнения.

Электрические тахометры основаны на косвенном принципе измерения. К валу, скорость которого измеряется, присоединяется датчик в виде генератора, чаще всего постоянного тока. Напряжение генератора измеряется вольтметром, шкала которого градуируется в числах оборотов в минуту Достоинство электрических тахометров - достаточно высокая точность показаний и возможность дистанционного отсчета измеряемой величины одновременно в нескольких местах.

В электрических тахометрах измеряемая угловая скорость, преобразуется в постоянный, переменный или импульсный ток. В зависимости от рода тока и преобразователя, можно выделить электромашинные тахометры постоянного и переменного тока, электроимпульсные емкостные тахометры и счетно-импульсные тахометры. Тахометр с электрическим генератором представляет собой сочетание генератора постоянного или переменного (рис. 5) и вторичного электроизмерительного прибора.

Принцип действия электрического генератора заключается в том, что при движении проводника в магнитном поле возникает электродвижущая сила. Величина электродвижущей силы пропорциональна магнитной индукции, длине проводника и скорости его движения.

У электрических тахометров постоянного тока характеристика линейная, а у тахометров переменного тока - нелинейная. Тем не менее, более широкое применение получили электромашинные тахометры переменного тока. Их основное преимущество перед тахометрами постоянного тока состоит в том, что генератор переменного тока не имеет коллектора, благодаря чему тахометр лучше сохраняет свою первоначальную точность в процессе длительной работы.

Тахометры с электрическими генераторами в отличие от центробежных и магнитных дают возможность дистанционной передачи показаний, так как вторичный прибор мотет быть удален на значительное расстояние от места измерения. В авиации находят широкое применение электрические тахометры типа ТЭ. Дистанционный электрический тахометр типа ТЭ представляет собой сочетание синхронной передачи и указателя, аналогичного магнитоиндукционному тахометру.

Рисунок 5. Электрический тахометр с переменным генератором

Датчиком синхронной передачи служит трехфазный генератор (1) с ротором в виде постоянного магнита. При вращении ротора в обмотках статора возникает переменный ток, частота которого соответствует угловой скорости ротора. Датчик связан трехпроводной линией с приемником (2), в котором имеется синхронный электродвигатель. Для улучшения пусковых характеристик в роторе электродвигателя, кроме постоянных магнитов, установлены три стальных диска (3). Магниты посажены на ось ротора свободно и связаны с ней через пружину. Это обеспечивает быстрый переход вращения ротора электродвигателя из асинхронного в синхронный режим. На конце вала электродвигателя укреплен магнитный узел (4), содержащий шесть пар полюсов постоянных магнитов, между которыми расположен металлический диск (5) подвижной части указателя. В результате взаимодействия вращающегося магнитного узла с вихревыми токами в металлическом диске возникнет вращающий момент, пропорциональный измеряемой скорости. На одной оси с диском расположены: противодействующая спиральная пружина (6), индукционный успокоитель (7) и стрелка указателя прибора (8).

Рисунок 6. Магнитоиндукционный тахометр

Дистанционные магнитные тахометры обладают сравнительно высокой точностью (погрешность не более 0,2-0,5%) имеют равномерную шкалу, достаточно надежны в работе. Минусом данного метода можно считать сложность и дороговизну исполнения.

1.2 Методы измерений, используемые в устройстве

Простейший из тахометров, применяемый для быстрых оценочных измерений - механический тахометр. На валу тахометра, которому при контакте передается вращение исследуемого объекта, установлена муфта с прикрепленными к ней на шарнирах грузами. При вращении вала грузы расходятся и перемещают муфту вдоль вала. Положение муфты на валу определяется скоростью вращения. Муфта связана рычажками со стрелкой, движущейся по циферблату. Шкала прибора проградуирована в единицах об/мин. Очевидным недостатком такого тахометра является необходимость контакта вала тахометра с исследуемым вращающимся объектом, в результате чего изменяется скорость вращения самого объекта. Предпочтительнее поэтому пользоваться бесконтактными методами.

Главным минусом тахометров, требующих контакта с вращающейся деталью считается то, то такие тахометры оказывают воздействие на деталь, что приводит к погрешности измерений. Для данного устройства решено использовать три бесконтактных метода измерения:

· Стробоскопический метод.

· Импульсный метод.

o Способ использующий фотопрерыватель

o Способ, использующий отраженный ИК-луч.

Мы подробно остановимся на этих методах:

Стробоскопический метод.

В старых фильмах наблюдался следующий эффект: колеса локомотива или повозки медленно вращаются назад. Это происходит от того что фильмы снимались с частотой 24 кадра в секунду, и колеса вращающиеся быстрее чем 24 оборота в секунду испытывали на себе стробоскопический эффект. Первоначально, из-за этого эффекта колеса в изображении замедлялись, и когда колесо набирало скорость, которая совпадала со скоростью съемки -- оно визуально останавливалось на пленке. Если мы знаем число спиц на колесе, мы можем рассчитать скорость вращения, при которой колесо «остановится». Например, если колесо имеет 8 спиц, тогда его скорость эквивалентна 1440 (количество кадров в минуте), деленным на 8, или 180 оборотов в минуту. Точно так же, скорость вращения машины может быть определена с помощью настройки частоты импульсов стробоскопа, при которой движущаяся часть машины «остановится».

Так же необходимо принять во внимание количество крыльчаток на пропеллере или вентиляторе или количество деталей, на которые можно опираться для отметки на изделии. Например, если на пропеллере есть 2 лопасти, то он «остановится» когда частота стробирования будет в два раза выше скорости вращения. Решение данной проблемы -- нанесение отметки на одну из лопастей пропеллера. Либо внесение поправочного коэффициента, о котором будет рассказано ниже.

Различают два стробоскопических (стробос - вихрь, скопео - смотрю) эффекта. Первый из них состоит в том, что быстрая смена отдельных фаз движения тела воспринимается глазом как непрерывное движение. Это связано с тем, что клетки сетчатой оболочки глаза сохраняют зрительный образ в течение примерно 0,1 с после исчезновения зримого объекта. И, если время между появлениями отдельных изображений меньше 0,1 с, образы сливаются, и возникает иллюзия непрерывности движения. На этом эффекте основаны кинематограф и телевидение.

Второй стробоскопический эффект состоит в том, что при определенных условиях возникает иллюзия не движения, а, наоборот, покоя предмета, который на самом деле движется.

Если какой-нибудь объект совершает периодическое движение (колеблется или вращается), то при освещении его прерывистыми световыми вспышками, следующими через равные промежутки времени, предмет будет казаться неподвижным, если частота вспышек в точности равна частоте колебаний вращения. Объясняется это тем, что глаз будет отмечать положение тела в момент световой вспышки и сохранят этот зрительный образ до следующей вспышки, которая при равных частотах вспышек и вращения застанет предмет на том же месте. Когда частота вспышек в целое число раз больше частоты вращения картина тоже будет неподвижной, но теперь будет видно несколько “экземпляров” предмета. Если отношение частоты вспышек к частоте оборотов равно k, то за каждый оборот будет происходить k вспышек, которые застанут предмет в разных положениях, отличающихся на угол 2/k. Равенство всех углов означает, что тело вращается с постоянной угловой скорость.

Если частота вспышек не в точности равна или не в точности кратна частоте вращения тела, то оно будет казаться медленно вращающимся в ту, или другую сторону в зависимости от соотношения частот. Если частота вспышек намного больше частоты вращения или ей величины, каждая последующая вспышка будет освещать предмет в положении, когда он еще не сделал полного оборота, и он будет казаться вращающимся в сторону, противоположному реальному вращению тела. Наоборот, если частота вспышек несколько меньше частоты вращения тела, кажущееся движение будет совпадать с направлением истинным. Такие стробоскопические иллюзии иногда наблюдаются в кино, когда, например, частота следования кинокадров больше или меньше частоты вращения колес.

Стробоскопический метод измерения частоты вращения обладает одним существенным недостатком, заключающийся в том, что одну и ту неподвижную картину можно наблюдать при различных значениях k. Напомним, что k есть отношение числа вспышек к числу оборотов предмета. Эта величина может быть как больше, так и меньше единицы. Если число вспышек больше числа оборотов, то k>1. Наоборот, если число вспышек меньше числа оборотов, то k<1.

Пусть наблюдается один “экземпляр” предмета. Это возможно, если за время, равное периоду следования вспышек, предмет повернулся на угол 2, 4, 6 и т.д. (в общем случае этот угол равен 2m, где m=1,2,3,) т.е. совершил 1,2,3, оборотов (в общем случае m оборотов). Другими словами, это возможно при k=1,1/2,1/3, (в общем случае k=1/m). Итак, если при освещении вращающегося объекта импульсным осветителем наблюдается один “экземпляр” предмета, то вывод, который из этого можно сделать заключается лишь в том, что число оборот или равно числу вспышек или в целое число раз меньше числа вспышек.

Такая же неоднозначность при наблюдении двух “экземпляров” предмета. Аналогично можно показать, что такая ситуация возможна, если k=2,2/3,2/5 и т.д. Нетрудно показать, что неоднозначность определения числа оборотов стробоскопическим методом существует при наблюдении любой неподвижной картинки.

Рисунок 7. Использование стробоскопа при измерениях скорости

Явными недостатками данного метода является неоднозначность измерений, использование такого метода сопряжено не только с простотой использования, но и необходимостью четко понимать принцип действия стробоскопического метода.

Рисунок 8. Использование фотопрерывателя для измерения количества оборотов

Рисунок 8 демонстрирует другой способ измерения скорости. В этом случае, сигнал запуска поступает в тахометр от сенсора, подключенного к машине. Это может быть оптический датчик, либо датчик использующий эффект Холла, который взаимодействует с вращающейся деталью или магнитом. Когда деталь вращается, датчик посылает импульсы в тахометр, и тахометр вычисляет количество оборотов в минуту и отображает это количество на экране.

Недостатком данного способа можно считать необходимость нанесения на вал диска с отверстиями-метками, так как это не всегда представляется возможным. Кроме того, диск оказывает воздействие на вал, в некоторых случаях весьма серьезное. Например, если диск имеет всего одну метку, может возникнуть биение вала, засчет разницы масс половин диска.

Рисунок 9. Пример разметки диска фотопрерывателя.

Третий способ измерения скорости вращения описан на рисунке 11. Это бесконтактный метод, основанный на отражении света от маркера, нанесенного на вращающуюся часть машины.

В некоторых случаях, отражающие полосы должны быть прикреплены к машине, чтобы получить как можно больше отраженного света во время вращения машины. В случае работы с пропеллером или лопастями вентилятора, изменение яркости будет достаточным для того чтобы не прибегать к дополнительным отражающим поверхностям.

В этом способе измерения инфракрасный луч направляется на вращающуюся деталь, а инфракрасный фотодиод улавливает отраженные световые волны (скорее, перепады от состояния «без отражения» и состояния «с отражением»). Использование ИК диапазона позволяет обойтись без дополнительных источников света для улучшения чтения.

Рисунок 10. Использование датчика ИК излучения при измерениях радиальной скорости.

Инфракрасное излучение -- не видимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны от 1--2 мм до 0,74 мкм; наблюдается гл. обр. при работе у горячих печей расплавленным металлом или стеклом, а также в технологических процессах с применением электрической дуги.

И. и. -- тепловые лучи охватывают область спектра оптического излучения в пределах от 0,76 до 100 мкм. По физической природе инфракрасные (ИК) лучи являются потоком материальных частиц, обладающих волновыми и квантовыми свойствами. Они представляют собой периодические электромагнитные колебания и в то же время являются потоками квантовых фотонов. Источником ИК-лучей служит любое нагретое тело. Различают естественные и искусственные источники. Летом в условиях реальной атмосферы на поверхности Земли наибольшая измеренная величина солнечной радиации в околополуденные часы составляет 1049 Вт/м².

Недостатком данного способа является необходимость взаимодействия с валом, что в редких случаях может быть недопустимым или невозможным. Однако высокая точность измерений и «бесконтактность» данного способа полностью нивелируют этот минус.

1.3 Описание работы схемы

Продолжительность импульса стробоскопа.

При использовании стробоскопа, частота вспышек зависит от того, сколько вращений детали может быть замечено. В идеале, вспышка должна быть как можно более короткой, чтобы избежать «размывания» движущейся детали.

Обычные стробоскопы используют ксеноновые трубки, производящие короткие, яркие вспышки, которые отлично подходят для работы с вращающимися деталями. Однако, в этой схеме используются белые светодиоды высокой яркости, и их яркость намного меньше чем у ксеноновой трубки.

В результате, период вспышки должен балансировать между яркостью и моментом вращения, который может быть замечен во время вспышки. Большинство белых светодиодов может быть использовано для получения коротких вспышек, необходимых для стробоскопа.

Для нашего светодиодного стробоскопа период вспышки может быть установлен между 23 пикасекундами и 6,5 миллисекундами. Более длительный период вспышки дает более яркий свет, но на практике период вспышки должен быть короче. Чем быстрее вращается деталь, тем короче должен быть период импульса, чтобы избежать «размывания» исследуемой детали.

Например, если скорость движения детали 5200 оборотов в минуту, мы должны выставить минимальный период вспышки чтобы фиксировать вращение до 1 градуса. Аналогично, если скорость вращения равна 166 об/мин, период вспышки должен быть установлен в 1 миллисекунду.

В альтернативу фиксированному периоду вспышки есть автоматический режим, который выставляет период вспышки в зависимости от измеренного количества оборотов. Эта зависимость может быть настроена вручную от 1% до 10%.

Заметим, что эти процентные соотношения неприменимы при очень высоких или очень низких значениях об/мин., т.к. установлены лимиты на длительность импульса.

Чтобы обеспечить работу каждого из трех разных способов измерения, устройство имеет два режима работы: генератор и триггер.

Режим «Генератор» используется для базовых стробоскопических измерений и когда он включен, он управляет стробоскопом. Для измерения нужно настраивать частоту кнопками «Выше» и «Ниже», ориентируясь на показания частоты на экране устройства.

Каждое нажатие кнопки изменяет значение об/мин на 100 единиц, а вращающаяся ручка позволяет изменять значения на 1. Экран отображает от 1 об/мин и от 0,01 Гц.

Альтернативный режим «Триггер» используется для произведения измерений, использующих способ фотопрерывателя и отраженного ИК-луча. В этом режиме тахометр управляется сенсорами, и экран показывает частоту и кол-во оборотов, которые снимает сенсор. Свет стробоскопа опционально управляется теми же сенсорами.

Как говорилось ранее, сенсор может быть щелевым диском, фотопрерывателем или датчиком, воспринимающим отраженный инфракрасный луч. Отметим, что в этом режиме тахометр не может настраиваться вручную и и считает скорость вращения основываясь на показаниях датчиков.

В этом тахометре используется нетрадиционный способ измерения количества оборотов в минуту.

Традиционный способ -- это подсчет количества импульсов за определенный период, обычно равный одной секунде. Этот метод удобен и приемлем когда количество оборотов высоко и за одну секунду происходит достаточное количество импульсов.

Однако, для подсчета кол-ва оборотов в минуту, частота входящих импульсов может быть недостаточна для односекундного периода. Например, при 1000 об.мин., входящая частота будет равна 16,66 Гц (принимая один импульс за один оборот) и на экране счетчика мы увидим 16 или 17 Гц. После умножения на 60, для подсчета оборотов в минуту, мы получим значение 960 либо 1020 об.мин.

Другими словами, мы получим погрешность в 60 оборотов в минуту.

Конечно, мы можем считать сигналы каждые 10 или 100 секунд, чтобы получить точность до 6 или 0,6 оборотов в минуту. Однако, 10 секунд это слишком длительное время и машина может изменить скорость вращения за этот период. Да и об ожидании в 100 секунд в таком случае стоит вообще забыть.

Так как же измерять скорость вращения с большой точностью и высокой скоростью обновления? Это описано и ниже.

Для режима «Триггер», тахометр использует 5 МГц генератор и счетчик. Счетчик настроен на подсчет количества импульсов от генератора между каждым сигналом от датчика.

То есть, если сигнал датчика имеет положительные импульсы с промежутком в 60 миллисекунд, счетчик будет считать до 300000 между каждым импульсом. Значение счетчика хранится в специальном регистре, и когда счетчик обнуляется -- это значит что он готов к следующему подсчету.

Расчеты в таком случае направлены на значение оборотов в минуту. Этот процесс включает в себя деление 300 000 000 (т.е., количество импульсов 5МГц генератора) на значение хранящееся в регистре. То есть, если в регистре хранится значение 3000000, мы получим 1000 оборотов в минуту.

Другой способ расчета направлен на расчет частоты триггера (50000000 делим на значение в регистре счетчика)

Этот расчет на 1000 об. мин выполнен за 50 мс и имеет разрешающую способность 1 на 3000 000, это дает точность расчета до 1 оборота в минуту. Это существенно лучше чем традиционный метод, описанный выше.

Для режима «Генератор» операция расчета немного отличается. Счетчик продолжает считать 5 МГц сигнал, но в этом случае расчет основан на определении значения, которое должен достичь счетчик, чтобы обеспечить необходимое значение об/мин и частоту вспышек стробоскопа.

В этом случае расчет представляет собой деление 300 000 000 на установленное значение об/мин. Рассчитанное значение помещается в регистр сравнения и когда счетчик достигает необходимого значения, стробоскоп загорается. После этого счетчик обновляется и считает заново, чтобы снова зажечь стробоскоп в установленное время.

Чем больше вращающихся крыльчаток, спиц, либо меток в детали, тем больше импульсов будет произведено за один период обращения. В таком случае, может быть установлен коэффициент деления от 1 до 8. например, если происходит 8 импульсов за один оборот детали, коэффициент деления может быть установлен на 8, чтобы обеспечить правильность счета.

Для делителей от 2 до 8, мы имеем возможность включения стробоскопа на определенном импульсе от сенсора. Например, если мы имеем 8 импульсов за оборот, мы можем заставить стробоскоп включаться только на первом или на втором или на любом другом импульсе вплоть до восьмого.

Кроме того, границы импульсов могут быть установлены пользователем, и стробоскоп сработает, когда частота импульсов увеличивается или учащается. Каждая из этих границ будет обеспечивать разный вид на машину, так как «замершее» положение детали может меняться.

Фотопрерыватель и датчик отраженного излучения реализуются на дополнительных платах, подключаемых к устройству. Их принципиальные схемы указаны на рисунках 11 и 12.

Рисунок 11. Принципиальная схема фотопрерывателя

Рисунок 12. Принципиальная схема датчика отраженного излучения

2. Конструкторская часть

2.1 Конструирование РЭА

Конструирование РЭА - сложный творческий процесс, не имеющей пока всеохватывающеей строгой математизированной базы и ведущийся методом многочисленных проб и последовательных приближений. Этот процесс больше искусство, чем наука, хотя решение многих проблем конструирования основано на использовании строгого математического аппарата (расчеты тепловых режимов, прочности, электрических допусков). Поэтому незначительные на первый взгляд погрешности или приближения, допущенные на ранних стадиях разработки РЭА, могут стать причиной крупных и непоправимых ошибок в дальнейшей работе.

Основными стадиями, на которых определяется конструкция РЭА, являются: подготовительная (аванпроект, или техническое предложение), эскизный проект, технический проект и разработка опытных образцов (рабочий проект). На подготовительной стадии анализируется техническое задание (ТЗ) на разработку РЭА, требуемые параметры сравниваются с параметрами аналогичной существующей РЭА, уточняются и согласуются с заказчиком неясные вопросы, после чего ТЗ утверждается и становится основным документом для дальнейшей работы. Изменение ТЗ допускается только с согласия заказчика и разработчика.

Если все основные параметры новой РЭА могут быть в первом приближении выполнены по схемно-принципиальным и по конструктивно-технологическим соображениям и ясны направления конструирования, можно переходить к следующей стадии - эскизному проекту. На стадии эскизного проектирования обосновывается и выбирается блок-схема РЭА, выполняются расчеты и макеты оригинальных элементов РЭА и уточняются конструктивно-технологические параметры.

Только в том случае, если составленная блок-схема с использованием новых и разработанных ранее функциональных узлов обеспечивает выполнение требований ТЗ, а конструктивно-компоновочные характеристики позволяют нормально эксплуатировать РЭА в дальнейшем, при приемлемом времени проектирования можно переходить к основной части конструирования - техническому проекту.

На стадии технического проектирования выполняется разработка и составление принципиальной схемы всей РЭА, ее компоновка, расчет априорной надежности, точности, тепловых режимов, виброзащищенности, решаются другие вопросы, определяющие конструкцию РЭА.

В процессе разработки и изготовления РЭС принимают участие специалисты различных профилей: схемо- и системотехники, конструктора, технологи, механики, теплотехники, специалисты по обеспечению надежности, спытатели и т.д. Успех разработки любого изделия РЭС будет зависеть от того, насколько квалифицированно и согласованно будут работать все звенья триады: схемотехник - конструктор - технолог. Если где-то в этой цепочке произойдет сбой, качественного и конкурентоспособного изделия не получить никогда! Согласованные действия специалистов, принимающих участие в разработке и производстве изделий возможны только в том случае, если каждый из них понимает, как его решения скажутся на последующих этапах. Особенно это относится к инженерам схемо- и системотехникам, задействованным в самом начале процесса проектирования РЭС. Их неудачные или непродуманные решения, незнание ими специфики труда конструктора или технолога приводят к значительным временным и материальным затратам на всевозможные переделки уже готовых конструкций или технологических процессов.

2.2 Методы обеспечения технологичности конструкции РЭС

К основным конструкторским методам обеспечения технологичности относятся:

1) использование наиболее простой и отработанной в производстве конструкторской иерархии (базовой конструкции);

2) выбор размеров и формы компонентов, деталей и узлов конструкции с учетом экономически целесообразных для заданных условий производства способов формообразования, при этом учитывается, что прогрессивные способы формообразования, используемые в массовом и серийном производстве, позволяют уменьшить материалоемкость изделий за счет уменьшения толщины элементов конструкции и сокращения отходов;

3) уменьшение числа уровней разукрупнения конструкций РЭС и выбор их формы и размеров с учетом унифицированной оснастки и стандартного оборудования;

4) уменьшение номенклатуры используемых материалов и полуфабрикатов;

5) уменьшение применения дефицитных или токсичных материалов, драгоценных металлов;

6) обоснованный выбор квалитета точности, шероховатости поверхности, установочных и технологических баз;

7) конструктивная и функциональная взаимозаменяемость узлов, минимизация числа подстроечных и регулировочных элементов (особенно с механической подстройкой);

8) контролепригодность и инструментальная доступность элементов, деталей и узлов (в том числе подстроечных), особенно при автоматизированном и механизированном изготовлении.

Характер конструкторской иерархии определяется: экономически целесообразной функциональной сложностью РЭС и числом уровней разукрупнения РЭС, общим числом объединенных узлов (ячеек, блоков, шкафов); характером конструкторско-технологических решений, принятых для данного вида иерархии.

Конструкция РЭС отличается рядом особенностей, которые выделяют ее в отдельный класс среди других конструкций:

Примером операции, результат которой трудно проконтролировать непосредственно, является создание неразъемных контактных соединений на всех уровнях конструкции РЭС (пайка электрорадиоэлементов на платах, пайка или накрутка монтажных проводов на монтажных панелях и т.п.).

Более общим критерием оптимальности является максимум среднего экономического выигрыша от упорядочения производства РЭС при проектировании и внедрении параметрического ряда.

Таким способом построены различные конструкционные системы РЭС. Технологичность конструкции РЭС обеспечивается на всех этапах разработки.

2.3 Организация процесса проектирования РЭС

Как правило, в создании РЭС участвуют различные организации, подразделения, исполнители. Организации делятся на заказчика, исполнителя, субподрядчика. Заказчик формирует технические требования (ТТ) к РЭС и осуществляет финансирование и приемку разработанного изделия. Технические требования определяют показатели назначения (мощность, чувствительность, разрешающую способность, частотный диапазон и т.д.), а также содержат требования к конструкции: наименование, число и назначение основных частей; габаритные, установочные и присоединительные размеры; требования по взаимозаменяемости частей, унификации, типизации, стандартизации и преемственности. Кроме того, в ТТ входят требования по охране окружающей среды, помехозащищенности, составу запасного имущества, безопасности работы, эргономике и эстетике, условиям эксплуатации (виду объекта установки, уровням климатических, механических, радиационных и биологических воздействий, порядку обслуживания, квалификации обслуживающего персонала.

Исполнитель на основе ТТ разрабатывает техническое задание (ТЗ), в котором содержатся экономические, производственные и другие требования, определяется порядок разработки и приемки изделия. Субподрядчик решает для исполнителя частные вопросы: разработку и остановку новых материалов, элементов, узлов, технологических процессов, методов измерений или проводит испытания, отработку на соответствие требованиям эргономики и т.д.

В проектировании РЭС в той или иной степени на разных стадиях участвуют различные подразделения предприятия:

* системотехнические определяют структуру РЭС, осуществляют разбивку на наземную и бортовую части и др.

* схемотехнические разрабатывают и отлаживают схему, проводят ее разбивку на отдельные узлы;

* конструкторские осуществляют общую компоновку изделия, выпускают необходимую конструкторскую документацию;

* технологические устанавливают последовательность изготовления, проводят отработку режимов, подготовку производства.

Кроме этого, в разработке изделия принимают участие различные вспомогательные службы: надежности (рекомендации по структурной и информационной избыточности, проведение испытаний); снабженческие (поставка материалов и покупных изделий); патентные, автоматизированного конструкторского проектирования и др. Координация работы предприятий, подразделений и специалистов, участвующих в разработке проводится с помощью согласованных календарных планов или сетевых графиков Для уменьшения вероятности неправильных решений из-за противоречивости и неполноты исходных данных, личностных ошибок исполнителей разработку РЭС проводят в несколько стадий (не менее двух): научно-исследовательская (НИР) и опытно- конструкторская (ОКР) работы. Каждая стадия включает несколько этапов. В ходе выполнения работ на стадиях и этапах происходит постепенное уточнение и обсуждение принимаемых решений. При этом устраняются ошибки руководителей (ошибки планирования и др.) и исполнителей (неправильный выбор технических решений, ошибки в разработанной документации и т.д.). Основные стадии жизненного цикла РЭС представлены в таблице 1.

Таблица 1

2.4 Основные требования, предъявляемые к РЭС

Многообразие выполняемых функций и условий эксплуатации предъявляет к конструкциям РЭС противоречивые требования. Это обстоятельство значительно осложняет труд конструктора. Для облегчения этой задачи требования к конструкциям объединяются в группы, стандартизируются и кодифицируются. Рассмотрим содержание и особенности различных групп требований. Требования к конструкции РЭС по назначению. Эта группа требований устанавливает первичную задачу, ради которой собственно и ведется разработка. Общий перечень таких требований затрагивает широкий круг вопросов: функциональное назначение; параметр, определяющий конструкцию; класс объекта установки; климатическое исполнение; категория размещения на объекте; массогабаритные характеристики; закрепление на объекте; коммуникации на объекте; электромагнитная защита и т.д. Требования к конструкции по надежности. Требования по надежности определяют стойкость аппаратуры к климатическим, механическим, биологическим и радиационным воздействиям, а также требования по безотказности долговечности, сохраняемости и ремонтопригодности. Требования безопасности, эргономики и эстетики относятся к задаче совместимости конструкции РЭС с человеком при эксплуатации и ремонте с целью сохранения жизни и здоровья операторов и ремонтного персонала, снижения утомляемости.

Требования технологичности и унификации определяют приспособленность конструкции к ограниченному расходованию трудовых, материальных и энергетических ресурсов при подготовке производства и промышленном выпуске изделий в заданном количестве и определенной категории качества.

Патентно-правовые требования регламентируют условия, при которых принятые при разработке конструкции технические решения становятся промышленной собственностью с исключительным правом на нее предприятия-разработчика с вытекающим из этого экономическим и престижным эффектом. Подробно содержание требований отдельных групп будет рассматриваться в последующих разделах курса. Здесь же познакомимся с наиболее общими, не зависящими от назначения аппаратуры требованиями первой группы.

Климатическое исполнение и установка на объекте Климатическое исполнение. Стандартизация и кодификация климатического исполнения существенно упрощает задание соответствующих требований, так как позволяет четко представлять всю программу комплексного воздействия внешней среды в количественном выражении. Так, например, в зависимости от макроклиматического района, в котором будут эксплуатироваться РЭС, по ГОСТ 019-78 различают девять основных климатических исполнений изделий:

Исполнение У - для умеренного климата со среднегодовым максимумом и минимумом температуры +40 град. и -45 град.

Исполнение УХЛ - для умеренного и холодного климата при минимуме температуры ниже -45 град.

Исполнение ТВ - для влажного тропического климата с температурой +20 град. В сочетании с относительной влажностью 0 % и выше.

Исполнение ТС - для сухого тропического климата с температурой +40 град.

Исполнение М - для умеренно холодного морского климата при нахождении в морях и океанах севернее 30 град. с.ш. и южнее 30 град. ю.ш.

Исполнение ТМ - для тропического морского климата (между 30 град. с.ш. и 30 град. ю.ш.).

Исполнение О - общеклиматическое для суши.

Исполнение ОМ - общеклиматическое морское для судов с неограниченным районом плавания.

Исполнение В - всеклиматическое исполнение для суши и моря (за исключением Антарктиды)

2.5 Классификация РЭС

Как правило, конструкции РЭС различного назначения, устанавливаемые на разные объекты значительно отличаются друг от друга, что вызвано спецификой назначения и особенностями эксплуатации. По мере развития комплексной миниатюризации происходит постепенное стирание резких граней между различными видами радиоаппаратуры. Подобная универсализация предполагает разработку конструкций, пригодных для работы на любых объектах и в любых условиях. Для этого конструкция должна обладать функциональной избыточностью и соответствовать наиболее жестким условиям эксплуатации. Это может быть оправдано в тех случаях, когда достигается простыми средствами и позволяет значительно увеличить объем производства. Такая тенденция отчетливо прослеживается для электронно-вычислительной аппаратуры. Для остальных видов РЭС первостепенное значение сохраняет специализация, обусловленная тем, что объект установки задает специальное функциональное назначение для РЭС данной категории, класса или группы

2.6 Категории РЭС

По продолжительности работы РЭС принято разделять на четыре категории:

многократного, однократного, непрерывного и общего применения. РЭА категории многократного применения способна выполнять свои функции несколько раз по мере необходимости, однократного - один раз за период эксплуатации. РЭС непрерывного применения предназначены для непрерывной работы за исключением периодов профилактики. РЭА общего применения работает в смешанном режиме, как, например, бытовая аппаратура.

Классы РЭС Классы подразделяют РЭС по трем глобальным зонам использования: наземные РЭС (суша); морские (океан), бортовые (воздушное и космическое пространство).

Внутри классов в зависимости от объекта установки РЭС делятся на группы.

Отличительный признак группы комплексный. Учитывается назначение и тактика использования, условия совместимости с объектом, требования к надежности, к защите от внешних воздействий и т.д.

Класс 1 - наземные РЭС.

Включает три основные группы: стационарной, для подвижных объектов, носимой РЭА - и дополнительную группу бытовой РЭА. Группа бытовой РЭА отличается спецификой применения в отличие от прочей РЭА, являющейся профессиональной. В настоящее время тенденция развития конструкций бытовой РЭА мирового класса направлена на профессионализацию, т.е. на конструирование ее по общим правилам для соответствующей основной группы класса. При конструировании РЭС наземного класса возникает общая задача защиты от вибраций, ударов, пыли в условиях нормального атмосферного давления.

Стационарная аппаратура.

Эта группа характеризуется следующими отличительными признаками: - особой продолжительностью эксплуатации и необходимостью постепенной модернизации; - работой в помещении с нормальными климатическими условиями (температура 25+10 град. С; влажность 25+15 %; давление 1033+30 кПа); - отсутствием механических перегрузок во время работы; - транспортированием в амортизирующей упаковке; хранением в складских условиях в климатических зонах потребителя и изготовителя; - высокой ремонтопригодностью при ремонте на месте установки.