Конструирование устройства для измерения углового перемещения

К таким материалам относятся латуни, упругие элементы из нейзильбера, кремнемарганцевой, оловянно-цинковой и оловянно-фосфористой бронз, элинвара. Также к материалам для упругих элементов относится нержавеющая сталь 1Х18Н9Т, титан ВТ1-1, высокоуглеродистая стальная проволока и дисперсионно-твердеющие сплавы. В тех случаях, когда упругие элементы должны иметь особо малую жесткость, их изготавливают из неметаллических материалов: кварца, резины, пластмасс, модуль упругости которых значительно меньше, чем у металлов [5].

К механическим свойствам материалов относятся:

1) предел пропорциональности (пц);

2) предел прочности (пч);

3) предел точности (Т);

4) предел упругости (уп);

5) предел выносливости (предел усталости);

6) пластическое течение материала (ползучесть).

К основным свойствам материалов относятся:

1) упругая характеристика;

2) жесткость;

3) чувствительность.

Упругая характеристика - это зависимость между перемещением определенной точки упругого элемента и величиной нагрузки р. Упругая характеристика является основным показателем свойств упругих элементов.

Отклонения от линейной зависимости между нагрузкой и перемещением оцениваются величиной нелинейности характеристики. Нелинейностью называется наибольшее отклонение ?макс действительной характеристики от линейной, отнесенное к наибольшему перемещению макс упругого элемента и выраженное в процентах:

= ?макс / макс · 100%. (8)

?макс л - . (9)

где л - перемещение, соответствующее линейной характеристике, м;

- действительное перемещение упругого элемента, м.

Важное свойство упругого элемента - его жесткость, которая представляет собой отношение нагрузки р к соответствующему перемещению :

= p / . (10)

Чувствительность - величина, обратная жесткости, равная отношению перемещения к нагрузке:

= / р. (11)

Жёсткость показывает, какую нагрузку следует приложить к упругому элементу, чтобы вызвать перемещение на одну единицу. Чувствительность же численно равная перемещению, совершаемому упругим элементом под действием единичной нагрузки.

Перестановочное или тяговое усилие - это способность упругого элемента преодолевать сопротивление со стороны прибора. Способность манометрического элемента развивать перестановочную силу удобно характеризовать удельной тяговой силой Q / Р , соответствующей единице давления.

Так как удельная тяговая сила Р имеет размерность площади, то принято представлять её в виде так называемой эффективной площади:

Fэф = Q / Р. (12)

Для правильно спроектированного упругого элемента наибольшее рабочее напряжение не должно превышать:

max = пр / n, (13)

где n - коэффициент запаса;

пр - предельное напряжение.

n = уп / max, (14)

где уп - предел упругости.

Коэффициент запаса по текучести:

nT = T / max , (15)

где T - предел текучести.

Коэффициент запаса по устойчивости:

nуст = кр / max. (16)

где кр - критическое напряжение.

Если упругий элемент работает при переменных напряжениях, то он должен иметь необходимый коэффициент запаса по выносливости:

max [], (17)

где [] - допустимое напряжение:

[] = T / nT = пч / nпч. (18)

1.5.3 Погрешности чувствительности упругого элемента.

Погрешности упругого элемента прежде всего определяются свойствами материала. Например, даже для элементов из лучших сортов упругих материалов погрешность от гистерезиса составляет 0.2 - 0.05 %.

Гистерезис упругого элемента проявляется в несовпадении величин перемещений при прямом и обратном ходе упругого элемента. Величина гистерезиса определяется как наибольшая разность Г между перемещениями при одинаковой нагрузке при прямом и обратном ходе, отнесенная к наибольшему перемещению упругого элемента.

Поскольку возникновение заметных пластичных деформаций измеряемых упругих элементов недопустимо, значение рабочих напряжений в них должно быть всегда оставаться меньше доп.

В условиях переменной температуры изменение модуля упругости материала и линейных размеров упругого элемента приводят к температурным погрешностям элемента.

Зависимость модуля упругости от температуры:

Et = Eo ( l - Et ). (19)

Относительная температурная погрешность t упругого элемента равна:

t = t / , (20)

где t - температурное изменение перемещения упругого элемента.

Перемещение упругого элемента постоянной жесткости:

= p / k = p / cE, (21)

где с - коэффициент пропорциональности;

Е - модуль упругости материала.

Относительная температурная погрешность упругого элемента постоянной жесткости:

t = Et . (22)

1.6 Индуктивные преобразователи

Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. Имеются две группы преобразователей: c изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением.

Пример схемы преобразователя первой группы показан на рисунке 4, а. Преобразователь состоит из П-образного магнитопровода 1, на котором размещена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление, что вызывает изменение индуктивности дросселя.

Другая широко используемая модификация (плунжерный преобразователь) показана на рисунке 4, б. Преобразователь представляет собой катушку, из которой может выдвигаться ферромагнитный сердечник (плунжер). При среднем положении плунжера индуктивность максимальна [10].

Схема преобразователя второй группы приведена на рисунке 4, в. В зазор магнитной цепи 1 вводится пластинка 2 с высокой электропроводностью, в которой наводятся вихревые токи, приводящие к увеличению потерь активной мощности катушки 3. Это эквивалентно увеличению ее активного сопротивления.



a) б) в)

Условные обозначения:

- преобразователь с изменяющейся индуктивностью;

- плунжерный преобразователь с изменяющейся индуктивностью;

- преобразователь с изменяющимся активным сопротивлением.

Рисунок 4 - Схемы различных типов индуктивных преобразователей

Функция преобразования преобразователя (рисунок 4, (а)) с некоторыми допущениями может быть получена следующим образом.

Индуктивность катушки:

L = Ф / I, (23)

где - число витков;

Ф - пронизывающий ее магнитный поток;

I - проходящий по катушке ток.

Ток связан с МДС Hl соотношением:

I = Hl / . (24)

Подставляя формулу (18) в (19), получаем:

L = 2Ф / Hl = 2 / RМ , (25)

где RМ - магнитное сопротивление преобразователя:

RМ = Hl / Ф. (26)

Если пренебречь рассеянием магнитного потока и нелинейностью кривой намагничивания стали, то магнитное сопротивление:

RМ = RСТ + RЗ = lСТ / r0 QСТ + 2 / 0Q , (27)

где RСТ - магнитное сопротивление стальных участков магнитопровода, Ом;

l СТ - длина средней силовой линии по стальным участкам, м;

QСТ - их поперечное сечение, м2;

r - магнитная проницаемость стали, Гн/м;

0 = 4·10-7 Гн/м магнитная постоянная, Гн/м;

RЗ - магнитное сопротивление магнитных зазоров, имеющих длину и сечение Q.

Будем считать QСТ = Q. При этом индуктивность преобразователя:

L = 0Q2 / (2 + lСТ / r). (28)

Если пренебречь активным сопротивлением дросселя, то функция преобразователя, т.е. зависимость электрического сопротивления Z от размера воздушного зазора , выражается зависимостью:

Z() = jL = j20Q / (2 + lСТ / r) j20Q / 2. (29)

В последнем равенстве имеется в виду, что 2 » lСТ / r вследствие большого значения магнитной проницаемости магнитопровода.

Под чувствительностью индуктивного преобразователя понимают:

K ? ?Z/?. (30)

Индуктивный преобразователь является электромагнитом, его сила притяжения, возрастающая с увеличением чувствительности, нелинейно зависит от перемещения якоря и может явиться причиной погрешности преобразователя, предшествующего индуктивному.

Сила притяжения описывается следующим выражением:

, (31)

где Wм - энергия магнитного поля;

L - индуктивность преобразователя, Гн;

I - ток, проходящий через обмотку преобразователя, А.

Описанные одинарные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков:

1) их функции преобразования нелинейны;

2) аддитивные погрешности, в частности погрешность реального преобразователя, вызванная температурным изменением активного сопротивления обмотки, велики;

3) сила притяжения якоря значительна.

Реализовать преобразователи первой группы, т.е. те, у которых меняется индуктивность можно различными способами. Например, можно менять длину д, сечение воздушного участка магнитопровода s, потери в магнитопроводе и др. [2].

На рисунке 5 схематически показаны некоторые типы индуктивных преобразователей.

Индуктивный преобразователь (рисунок 5 (а)) с переменной длиной воздушного зазора д характеризуется нелинейной зависимостью L = f(д). Такой преобразователь обычно применяется при перемещениях якоря на расстояние 0,01 - 5 мм. Значительно меньшей чувствительностью, но линейной зависимостью L = f(s) отличаются преобразователи с переменным сечением воздушного зазора (рисунок 5 б). Эти преобразователи используются при перемещениях якоря до 10 - 15 мм.

Если ферромагнитный сердечник преобразователя подвергать механическому воздействию F, то вследствие изменения магнитной проницаемости материала сердечника м изменится магнитное сопротивление цепи, что повлечет за собой изменение индуктивности L и взаимной индуктивности M обмоток. На этом принципе основаны магнитоупругие преобразователи (рисунок 5 в).

Условные обозначения:

а - с изменяющейся длинной зазора;

б - с изменяющимся сечение зазора;

в - магнитоупругий.

Рисунок 5 - Индуктивные преобразователи

Широко распространены индуктивные дифференциальные преобразователи (рисунок 6), в которых под воздействием измеряемой величины одновременно и притом с разными знаками изменяются два зазора двух электромагнитов. Благодаря этому уменьшается аддитивная погрешность, улучшается линейность функции преобразования, в 2 раза возрастает чувствительность и уменьшается сила притяжения якоря [3].

Дифференциальные преобразователи в сочетании с соответствующей схемой (обычно мостовой) имеют более высокую чувствительность, чем обычные преобразователи, дают возможность уменьшить нелинейность функции преобразования, испытывают меньшее влияние внешних факторов. В этих преобразователях результирующее усилие на якорь со стороны электромагнитов меньше, чем в недифференциальных.

Условные обозначения:

а - дифференциальный трансформаторный;

б - дифференциальный;

в - дифференциальный трансформаторный, с разомкнутой магнитной цепью.

Рисунок 6 - Дифференциальные индуктивные преобразователи

Применяются также индуктивные дифференциальные преобразователи трансформаторного типа (рисунок 6 а), в которых две секции первичной обмотки включены согласно, а две секции вторичной обмотки - встречно. При питании первичной обмотки переменным током и при симметричном положении якоря относительно электромагнитов ЭДС на выходных зажимах равна нулю. При перемещении якоря возникает сигнал на выходных зажимах.

Для преобразования сравнительно больших перемещений (до 50--100 мм.) применяются индуктивные преобразователи с незамкнутой магнитной цепью. На рисунке 6, в схематически показано устройство дифференциального трансформаторного индуктивного преобразователя с незамкнутой магнитной цепью, используемого для передачи показаний различных неэлектрических приборов (манометров, дифференциальных манометров).

Конструкция преобразователя определяется главным образом значением измеряемого перемещения. Габариты преобразователя выбирают, исходя из необходимой мощности выходного сигнала и других технических требований.

Индуктивные преобразователи используются для преобразования перемещения и других неэлектрических величин, которые могут быть преобразованы в перемещение (усилие, давление, момент и т. д.).

По сравнению с другими преобразователями перемещения индуктивные преобразователи отличаются значительными по мощности выходными сигналами, простотой и надежностью в работе.

Недостатком их является наличие обратного воздействия преобразователя на измеряемый объект (воздействие электромагнита на якорь) и влияние инерции якоря на частотную характеристику прибора [1].

1.7 Измерение перемещения

После того, как были рассмотрены некоторые эффекты и преобразователи для измерения перемещения, можно сделать вывод, что наиболее подходящими по своим характеристикам для нашего проекта являются емкостные преобразователи. Для измерения выходного параметра емкостных преобразователей применяют цепи с использованием резонансных контуров, которые позволяют создавать приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10-7 мм. Цепи с емкостными преобразователями обычно питают током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить сигнал, попадающий в измерительный прибор, и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Достоинствами емкостных преобразователей являются простота устройства, высокая чувствительность и возможность получения малой инерционности преобразователя.

Условные обозначения:

а - с изменяющимся расстоянием между пластинами;

б - дифференциальный;

в - дифференциальный с переменной активной площадью пластин;

г - с изменяющейся диэлектрической проницаемостью среды между пластинами.

Рисунок 7 - Емкостные преобразователи

В данной курсовой работе будет рассмотрен более простой емкостной датчик. Ниже приведены результаты исследований этого датчика, схема которого приведена в Приложении Б.

Датчик состоит из двух пакетов стеклянных, пластин на плоскости которых нанесены электроды, а также двух оснований с пазами. В этих пазах перемещается электрод-экран. Общая длина пластин равна 200 мм. в исходном состоянии экран вдвинут до середины пакета, что обеспечивает диапазон преобразования 100мм. Нелинейность не превышает 1,5%. Датчик предназначен для работы с измерительными цепями (измерительными преобразователями), обеспечивающими преобразование проходной емкости в трехзажимной схеме включения.

2. Практическая часть

2.1 Датчик давления на основе индуктивного преобразователя

Прежде всего, давление определяется как скалярная величина, характеризующая состояние сплошной среды, и оценивается как отношение силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности.

В датчиках давления всегда испытывается большая потребность, и они находят весьма широкое применение. Принцип регистрации давления служит основой для многих других типов датчиков, например датчиков массы, положения, уровня и расхода жидкости и др. В подавляющем большинстве случаев индикация давления осуществляется благодаря деформации упругих тел, например диафрагмы, пружины Бурдона, гофрированной мембраны. Такие датчики имеют достаточную прочность, малую стоимость, но в них затруднено получение электрических сигналов. Потенциалометрические (реостатные), емкостные, индукционные, магнитнострикционные, ультразвуковые датчики давления имеют на выходе электрический сигнал, но сравнительно сложны в изготовлении.

В большинстве случаев датчики давления соединяются с объектами измерения при помощи соединительных трубок. Такие линии коммуникации давления, заполненные воздухом или жидкостью, не вносят погрешностей при измерении статических давлений, но сильно влияют на результаты измерений измеряющихся давлений, обладая существенной инерционностью, присущей пневматическим и гидравлическим звеньям.

В ряде случаев в датчиках давления может быть использован преобразователь, выходной величиной которого является механическое напряжение или давление. В этом случае используется мягкая, так называемая вялая мембрана, которая выполняет функцию только разделительного элемента.

Индуктивные приборы измерения давления отличаются высокой точностью, дают возможность вести дистанционные измерения. Сравнительно небольшие габаритные размеры индуктивных преобразователей позволяют создавать компактные измерительные устройства. Наличие одного источника энергии (электрического тока) является существенным преимуществом индуктивных приборов перед пневматическими, которые питаются электрическим током и сжатым воздухом.

В индуктивных приборах используется свойство катушки изменять свое реактивное сопротивление при изменении некоторых ее параметров, определяющих величину индуктивности L.

Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода.

Одним из основных достоинств индуктивных преобразователей является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1--5 ВА), что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа, без предварительного усиления. Лишь при малогабаритных преобразователях приходится прибегать к включению усилителя.

Но индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков: их функции преобразования нелинейные; аддитивные погрешности, в частности погрешность реального преобразователя, вызванная температурным изменением активного сопротивления обмотки, велики; сила притяжения якоря значительная.

Работа датчика основана на том, что под действием давления пружина Бурдона деформируется, что приводит к перемещению якоря индуктивного преобразователя. В свою очередь перемещение якоря вызывает изменение воздушного зазора, а значит и индуктивности преобразователя. Таким образом, неэлектрический сигнал преобразуется в электрический, который легко зарегистрировать и оценить величину давления

С целью измерения механической силы упругое тело может быть подвергнуто действию силы. Возникающие при этом деформация или изменения размеров тела можно измерить затем с помощью датчика смещения. Материал и форму упругого тела в таком «динамометре» следует выбрать так, чтобы в широком диапазоне удовлетворялся закон Гука без остаточной деформации. поперечного сечения стержня

2.2 Расчет чувствительного элемента датчика

Рисунок 8 - Пружина Бурдона

Исходные данные:

Подаваемое давление, кгс/см2

p = 7 кгс/см2.

Радиус центральной оси пружины, мм:

R = 52 мм.

Толщина стенки пружины, мм:

h = 2,1 мм.

Полуоси поперечного сечения по среднему контуру, мм:

a = 10,5 мм;

b = 3,22 мм.

Модуль упругости кгс/см2:

E = 1,16 • 106 кгс/см2.

Коэффициент Пуассона:

м = 0,3.

Коэффициенты:

б = 0,481;

в = 0,045;

Г = 5,3.

Вычисляем главный параметр трубки :

=Rh/a2; (32)

Находим перемещение конца пружины, м:

; (33)

л = 0,257 • 10-3 м.

2.2 Расчет первичного измерительного преобразователя

Определить измерительное усилие дифференциального индуктивного преобразователя с Ш-образным сердечником и плоским якорем. Первоначальные габаритные размеры по варианту (параметр t численно равен b).

Требования, в соответствии с которыми разрабатывается и рассчитывается первичный измерительный преобразователь, такие:

- диапазон измерения 0,1-0,2 мм;

- чувствительность преобразователя 100-150 Ом/мм;

- допустимая степень нелинейности 1%;

- допустимая плотность тока 2-2,5 А/мм2;

- частота питающего напряжения 50 Гц;

- допустимое измерительное усилие не более 3Н.

Исходные данные, м:

a = 7 • 10-3 м,

b = 5 • 10-3 м,

с = 15 • 10-3 м,

h = 19 •10-3 м,

f = 6 • 10-3 м,

t = b

ПЭВ - 1

Перемещение конца пружины, м:

л = 0,257 • 10-3 м;

.

Коэффициент заполнения, зависящий от диаметра провода и вида изоляции и соответствующий марке провода:

fZ = f0 = 0,6.

Постоянная магнитная константа, Гн/м:

м0 = 1.257 • 10-6 Гн/м.

Диаметр провода катушки преобразователя без изоляции, м:

d1 = 0,15 • 10-3 м.

Сечение полого провода, мІ:

q = 0,0176 • 10-6 м2.

Толщина стенок каркаса, м:

n = 1,5 • 10-3 м.

Зазор между поверхностью катушки и сердечником, м:

m = 2,5 • 10-3 м.

Рассчитаем площадь, занимаемую обмоткой катушки, мІ:

, (34)

Где n - толщина стенок каркаса, выбирается в пределах 1-2 мм;

m - зазор между поверхностью катушки и сердечником, выбирается в пределах 2-3мм.

Q = 110 • 10-3 м.

По известной площади окна магнитопровода, предназначенного для размещения катушки, с учетом каркаса катушки определим количество витков:

; (35)

щ=3735

Чтобы уменьшить влияние изменения характеристик магнитного материала на параметры катушек, индукцию В выберем из условия В=0,2-0,6 Т, такой, при которой магнитная проницаемость данного материала достигает максимального значения:

В = 0,2 Т.

Определим начальный зазор между якорем и катушками индуктивности, выбираем из двух условий:

; (36) ; (37)

д0 = 1,1 • 10-3.

Определим максимальный зазор дmax и минимальный зазор дmin, возникающие между катушками и магнитопроводом вследствие его передвижения, м:

дmax=+/2; (38)

дmax = 1,2285•10-3

Определим параметры катушки при наибольшем зазоре.

Координаты выпучивания магнитного поля определим по графику - Зависимость между координатами поля выпучивания.

Координата обычно принимается равной :

X1= 7,5 •10-3;

Z1b=X1*6/8

Z1b=5,625 • 10-3;

Z1a = t;

Z2a = t;

Z2b = t;

Х2=8*Z2b/6

X2=6.667 • 10-3.

Определим толщину стенки четверти полого цилиндра, м:

; (39)

m2=4.653 •10-3 м.

Определим толщину стенки половины полого цилиндра, м:

; (40)

m1=5,53 • 10-3 м.

Магнитная проводимость воздушны зазоров , определим как сумму магнитных проводимостей фигур, их составляющих

Для зазора , проводимость составит, Гн:

; (41)

= 7,08 • 10-8 Гн.

Для зазора проводимость составит, Гн:

; (42)

= 6,21 • 10-8 Гн.

Так как рассматриваемая цепь симметрична, условно примем, что сопротивление среднего сердечника состоит из двух равных параллельно включенных магнитных сопротивлений и двух равных сопротивлений воздушных зазоров .

Для любой половины магнитопровода полное магнитное сопротивление цепи будет равно сумме сопротивлений остальных участков цепи и сумме сопротивлений воздушных зазоров:

. (43)

Но поскольку мы пренебрегаем величинами сопротивлений сердечников, то:

, (44)

Где

; (45)

. (46)

Суммарное магнитное сопротивление всей цепи составит, Ом:

; (47)

= 1,61 • 107 Ом;

= 1,41 • 107 Oм.

Средняя длина витка, м:

; (48)

lcp = 0,085 м.

Круговая частота:

. (49)

Частота, Гц:

=50 Гц .

Удельное сопротивление для медной проволоки, Ом•мм2/м:

.

Активное (омическое) сопротивление катушки преобразователя, Ом:

; (50)

Ra = 265,49 Ом.

По найденной величине определяем модуль полного электрического сопротивления катушки преобразователя, Ом:

; (51)

Zэ = 460,49 Ом.

Находим площадь сечения среднего сердечника, мІ:

; (52)

S = 7 • 10-5.

Магнитный поток в сердечнике:

, (53)

где В = 0,2 Т;

= 1,4 • 10-5.

Определяем эффективное значение тока, протекающего через катушку: преобразователя, А:

, (54)

где

; (54')

Ом;

I = 0,0347 А.

Проверяем катушку на допустимую плотность тока, А/ммІ.

Рекомендуемая плотность тока:

; (55)

j = 1,97 А/мм2.

Катушка, судя по полученному результату, имеет допустимую плотность тока.

Определяем напряжение питания катушки, В:

; (56)

U = 15,979 В.

Определим параметры катушки при наименьшем зазоре дmin по формулам (14)-(32).

дmin = 0,9715•10-3 ;

X1= 7,5 •10-3;

Z1b= 5,625 • 10-3;

X2=6,67 • 10-3;

m1 = 5,53 • 10-3 м;

m2 = 5,948 • 10-3 м;

= 8,1 • 10-8 Гн;

= 7,228 • 10-8 Гн;

= 1,61 • 107 Ом;

= 1,41 • 107 Oм;

Zэ = 460,49 Ом.

Нахожу разность модулей полных электрических сопротивлений катушки преобразователя, Ом:

ДЖ = Zmax - Zmin; (57)

ДЖ = 31,53 Ом.

Приближенно определим чувствительность преобразователя, Ом/мм:

; (58)

К = 122,70 Ом/мм.

Полученная чувствительность преобразователя должна удовлетворять условию К=100-150 Ом/мм.

Рассчитаем максимальную электромеханическую силу притяжения , якоря к сердечнику:

, (59)

где

- сила притяжения якоря к отдельному полюсу сердечника преобразователя, полученной из формулы Максвелла:

, (60)

, - проводимость зазора и зазор у полюса, силу притяжения которого можно определить.

У дифференциального преобразователя на якорь действует разность сил, направленная в сторону уменьшения зазора:

. (61)

Максимальную электромеханическую силу притяжения якоря можно представить таким образом, Н:

; (62)

= 0,12 Н.

Измерительное усилие преобразователя определяют, исходя из величины максимальной электромеханической силы притяжения , якоря к сердечнику:

. (63)

Полученное по условию должно составлять не более 3Н.

= 1,17 Н.

2.3 Расчет емкостного датчика давления

Выбираем конструкцию емкостного датчика давления с деформируемой диафрагмой (мембраной). Датчики давления мембранного типа конструируются таким образом, что подвижная мембрана является средним электродом дифференциального емкостного преобразователя. Изменения электрической емкости будет происходить при изменении расстояния между электродами.

Параметры для расчета конструкции емкостного датчика давления приведены в таблице 4.

Таблица 1 - Параметры емкостного датчика давления

Диапазон изменения измеряемого давления, кПа	Данные для емкостного датчика давления
		Д,
0-500	0,08	8	0,16

Площадь электродов определяется формулой:

(64)

где - радиус электрода.

Номинальная емкость конденсатора, образованная мембраной и неподвижным электродом 3 или 4 при , равна:

(65)

где - диэлектрическая постоянная воздуха, равная ;

- площадь электродов;

- начальный зазор между мембраной и электродом.

Если и выражены в сантиметрах, то:

(66)



Условные обозначения:

1 - мембрана;

2 - изолятор;

3,4 - электроды;

- радиус периферии мембраны;

- радиус электрода;

- радиус мембраны;

- разность давлений, действующих на мембрану;

- начальный зазор между электродом и мембраной;

- прогиб в центре мембраны;

Рисункок 9 - СхемаРазмещено на http://www.allbest.ru/

расположения катушки на сердечнике преобразователя

Чувствительность емкостного датчика по перемещению подвижного электрода:

(67)

Увеличение чувствительности достигается уменьшением начального зазора между электродами и увеличением размеров датчика. Как видно из рисунка, под действием измеряемого давления мембрана получает переменный прогиб. Наибольшее перемещение имеет центр мембраны, а наименьшее - периферия мембраны. Уравнение, выражающее зависимость хода центра мембраны под действием равномерного нагружения избыточным давлением имеет вид:

(68)

где - модуль Юнга;

- коэффициент Пуассона;

- толщина мембраны, см.

Условные обозначения:

1 - неподвижный электрод;

2 - диафрагма;

3 - держатель.

Рисунок 10 - Прогиб мембраны

Для мембраны из стали: =0,3 , =4.2·106 .

Зададим параметры датчика: , .

Связь между давлением, диаметром мембраны и толщиной мембраны можно представить в виде:

 (69)

где коэффициент .

Для закрепленной по контуру мембраны напряжение в заделке определяется выражением:

(70)

По формуле найдем :

(71)

По заданию следует, что .

(72)

Для практических расчетов удобно выражать чувствительность емкостного датчика давления отношением относительного приращения емкости к давлению, вызвавшему это приращение:

(73)

где - коэффициент тензочувствительности датчика;

- коэффициент упругой чувствительности датчика.

Для малых дW имеет место линейное приближение:

(74)

(75)

(76)

Отношение радиуса электрода к радиусу мембраны. Отсюда Rc=3,9.

С учетом паразитных присоединительных емкостей кабеля коэффициент получает вид:

(77)

где (С - емкость датчика при в=1).

По условию. Найдем значение с учетом этих данных:

(78)

В выражение для коэффициента упругой чувствительности датчика входит отношение , которое для плоской мембраны имеет вид:

(79)

Тогда:

(80)

Следовательно, общая чувствительность датчика давления:

(81)

На концах электродов 3 и 4 возникают краевые поля, т.е. происходит искривление электростатического поля.

Условные обозначения:

1 - охранное кольцо;

2, 4 - электроды;

3 - краевой эффект.

Рисунок 11 - Краевые поля

Чтобы исключить краевой эффект и получить равномерное электрическое поле на краях электродов емкостного преобразователя, применяют специальное охранное кольцо для одного из электродов. В тех случаях, когда невозможно применить охранное кольцо, следует при расчетах емкости использовать поправочные коэффициенты.

Для воздушного конденсатора с электродами круглой формы с радиусом (W<<) для случая, когда краевым эффектом пренебречь нельзя, емкость для различных положений мембраны равна:

(82)

График функции показан на рисунке 19.

Рисунок 12 - График зависимости краевого эффекта от деформации

График функции

(83)

По графику определим:

(84)

Найдем емкость для воздушного конденсатора с электродами круглой формы:

(85)

Заключение

В курсовом проекте были рассмотрены физические явления и эффекты, используемые при конструировании датчиков, приборов, первичных измерительных преобразователей. Цель проекта достигнута. Была разработана конструкция устройства для измерения угловых перемещений. Задачи выполнены, был произведен обзор и составлена классификация физических явлений и эффектов, применяемых при конструировании устройств получения первичной измерительной информации. Так же были рассмотрены датчики давления, произведен расчет чувствительного элемента датчика и первичного измерительного преобразователя.

Приложение А

Размещено на http://www.allbest.ru/

Приложение Б

Список использованных источников

1 Евтихеев Н.Н., Измерение электрических и неэлектрических величии. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 327 с.

2 Кудряшов Э.А., Измерительные преобразователи для емкостных датчиков. - Приборы и системы управления, 1992

3 Левшина Е.Е., Новидский П.В. Измерительные преобразователи. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 452 с

4 Лежоев Р.С., Емкостной датчик перемещений. - Техническая электродинамика, 1992. - 107с.

5 Основы метрологии и электрические измерения. Учебник для вузов/ В.Я. Авдеев, Е.М. Антонов, Е.М. Душин. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с.

6 Седалищев В.Н., Надвоцкая В.В. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «Физические основы получения информации» для студентов специальности 19.09.00. - Барнаул: Издательство АлтГТУ им. И. И. Ползунова, 2005. - 32 с.

7 Международные стандарты ISO [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://iso.staratel.com. - Загл. с экрана.

8 Международный стандарт информационной безопасности ISO/IEC 17799 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: ru.wikipedia.org/wiki/ ISO/IEC_17799 - Загл. с экрана.

9 Руководство Р 2.2.2006-05. Гигиена труда. Гигиеническая критерии оценки условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряжённости трудового процесса [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.niiot.ru/doc/doc113/doc.htm. - Загл. с экран

10 Котюк А.Ф., Датчики в современных измерениях. - Москва: Радио и связь -- 2006

11 Виглеб.Г., Датчики. Устройство и применение. - Москва: Издательство «Мир», 1989

12 Гинсбург В.Б., Магнитоупругие датчики.М.: Энергия, 1970

13 Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (каталог). ЦНИИТЭИприборостроения, 1983

14 Левшина Е.С., Новицкий П.В., Электрические имерения физических величин. Л.: Энергоатомиз, 1983

15 Мирский Г.Я.,Электронные измерения. М.: Радио и связь, 1986

16 Электрические измерения / Под ред. А.В. Фремке. Л.:Энергия, 1980

17 Электрические измерения неэлектрических величин / Под. Ред. П.В. Новицкого. Л.: Энергия, 1977

18 Атоманян Э.Т., Приборы и методы измерения электрических величин. М.: Высшая школа, 1982

19 Эрастов В. Е., Сидоров Ю. К., Отчалко В. Е. Измерительная техника и датчики: Учебное пособие -- Томск: Томский межвуз. центр дист. обр-ния, 1999

20 И. Пфанцагль Теория измерений / Пер. с англ. В. Б. Кузьмина -- М.: Мир, 1976

21 Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях.- М. :БИНОМ, 1994Кирсанов. Д.

22 Справочник инженера по контрольно-измерительным приборам и автоматике. Учебно-практическое пособие -- М.: Инфра-Инженерия, 2008

23 М. А. Великанов Ошибки измерения и эмпирические зависимости -- Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1962

24 Хамханова Д.Н. Общая теория измерений. Учеб. пособие -- Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2006

25 Томпкинс У., Уэбстер Дж., Сопряжение датчиков и устройств ввода данных с компьютерами IBM PC: Пер. с англ. - М. : Мир, 1992.

Размещено на Allbest.ru