Розрахунок потенціометричних перетворювачів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗМІСТ

Вступ

Технічне завдання

Розділ 1. Лінійні потенціометричні перетворювачі

Розрахунок лінійного потенціометричного перетворювача

Розділ 2. Функціональні ПП

Розрахунок функціонального ПП

Розділ 3. Тензометричні ПП

Розрахунок тензометричного ПП

Розділ 4. Ємнісні перетворювачі (ЄП)

Основні схеми ввімкнення ЄП

Розрахунок ємнісного перетворювача

Висновок

ВСТУП

Потенціометричні перетворювачі широко застосовуються в різних системах автоматики, лічильно-розв'язувальних пристроях і системах слідкуючого привода. Найчастіше вони перетворюють лінійні і кутові переміщення у відповідні напруги і застосовуються як подільники напруги. У лічильно-розв'язувальних пристроях ці перетворювачі використовуються для виконання різних математичних операцій.

Тензометричні перетворювачі ґрунтуються на використанні зміни електричного опору провідних матеріалів (металів і напівпровідників) при розтягу та стиску їх у межах пружних деформацій

Тензометричні перетворювачі ґрунтуються на використанні зміни електричного опору провідних матеріалів (металів і напівпровідників) при розтягу та стиску їх у межах пружних деформацій.

У практиці вимірювальних перетворювачів тензоефект застосовується в двох напрямках - використання тензоефекту об'ємно тензочутливого матеріалу. Вхідна величина такого перетворювача - тиск газу або рідини, що його оточують. На цьому принципі будуються перетворювачі високих і надвисоких тисків, які виготовляють у вигляді безкаркасної обмотки, намотаної звичайно з манганінового дроту. Перетворювачами низьких тисків є германієвий або кремнієвий тензорезистор. Перетворювачі цієї групи можуть бути виконані у вигляді наклеюваних дротяних, фольгових, плівкових або так званих вільних (навісних) ТП. їх використовують Для вимірювання малих переміщень, деформацій або зусиль, які спричинюють деформацію деталей

Ємнісні вимірювальні перетворювачі використовуються для перетворення лінійних або кутових переміщень, тисків, вібрацій, прискорень, рівнів рідини в електричний сигнал. ЄП застосовують для контролю швидкозмінних процесів, пульсуючих тисків, вібрацій, як перетворювачі непогодження, а також у випадках, коли потрібне мінімальне навантаження переміщуваних деталей або мають бути відсутні механічні зв'язки. В авіаційній техніці широко використовуються ємнісні паливоміри.

Область застосування ПП

Потенціометричні перетворювачі широко застосовуються в різних системах автоматики, лічильно-розв'язувальних пристроях і системах слідкуючого привода. Найчастіше вони перетворюють лінійні і кутові переміщення у відповідні напруги і застосовуються як подільники напруги. У лічильно-розв'язувальних пристроях ці перетворювачі використовуються для виконання різних математичних операцій.

Потенціометричні перетворювачі належать до групи перетворювачів активного опору. Іноді їх називають реостатними або резистивними елементами.

Основні елементи конструкції ПП

Потенціометричний перетворювач - це потенціометр, движок (щітка) якого механічно пов'язаний з попереднім елементом вимірювальної системи. Виходом попереднього елемента, тобто входом ПО, є лінійне або кутове переміщення. ПП мають такі переваги:

здатність працювати як на змінному, так і на постійному струмі;

порівняно невеликі маси і габаритні розміри;

мало піддаються завадам з боку зовнішніх електричних і магнітних полів;

відсутність фазового зсуву вихідного сигналу;

можливість побудови перетворювачів із заданою характеристикою;

можливість отримання лінійної характеристики в широкому діапазоні вхідної величини (так, для ПП з кутовим переміщенням движка вхідна величина може змінюватися в діапазоні ± 180°,а в спеціальних конструкціях потенціометрів - до кількох тисяч градусів);

7)висока точність відтворення заданої залежності приросту опору від переміщення движка.

До недоліків ПП можна віднести:

наявність зворотної дії у вигляді моменту сил сухого тертя;

обмежений строк служби в зв'язку з наявністю деталей, що піддаються впливу тертя;

дискретний характер приросту вихідного сигналу;

невисока надійність, особливо під час роботи в умовах вібрацій та інерційних перевантажень;

5)під час переміщення щітки відносно обмотки ПП, а також в умовах вібрації можливе короткочасне порушення контакту, що спричиняє появу шуму на виході перетворювача, причому амплітуда шуму може наближатися до значення корисного сигналу. У результаті дії шумів нормальна робота наступних елементів схеми (підсилювача, виконавчого пристрою тощо), а іноді й усієї схеми виявляється порушеною. Ще шкідливіший вплив на систему мають шуми в тому разі, коли сигнал з датчика надходить на диференціюючий пристрій.

Розглянемо конструкцію одного з найпростіших і найпоширеніших ПП - одно обертового кільцевого потенціометра з обмежено-круговим переміщенням движка, схему якого зображено на рис. 1.1, де 1 - ізольований каркас; 2 - намотаний на ньому ізольований дріт; 3 - струмознімаючий движок (щітка), що ковзає по дроту; 4 -струмознімаюче кільце; 5 - приводний валик. Ізоляція дроту для забезпечення електричного контакту з движком зачищена.

Рис. 1.1. Схематичне зображення конструкції ПП

Напругу живлення подають до двох крайніх затискачів, вихідне значення напруги знімають між одним з крайніх і середнім затискачем, з'єднаним зі струмознімаючим кільцем 4, по якому ковзає щітка 3. Приводний валик 5 електричне ізольований від решти елементів движка.

Матеріали спіралі обмотки -- це звичайно емальований або оксидований дріт високого опору, виконаний з манганіну, ніхрому, константану, сплаву паладію з вольфрамом, сплаву платини з іридієм, платини з міддю, паладію зі сріблом, золота з нікелем.

До матеріалу спіралі висуваються такі основні вимоги: великий питомий опір, підвищена стабільність характеристик у часі, малий температурний коефіцієнт опору, достатньо висока твердість, корозійна стійкість, висока якість ізоляції, велика міцність на розрив і мале подовження при розтягу.

У приладобудуванні для намотування потенціометрів використовують в основному дріт діаметром 0,03...0,3 мм.

Для обмотки ПП середньої точності використовують константан, ніхром, манганін; для високоточних ПП - сплави на основі благородних металів - платини, золота, срібла, паладію. Це пояснюється тим, що константан, наприклад, має порівняно невисоку температуру нагрівання, ніхром - великий температурний коефіцієнт опору, а манганін швидко окислюється. Сплави на Соснові благородних металів хімічно нейтральні і не піддаються корозії навіть при високій температурі.

Щітка ГШ може бути виконана у вигляді окремих дротиків (з кількох жил дроту), пластинчастих щіток (або їх пакета), стержня або ролика циліндричної форми. Матеріал щітки повинен мати високу зносостійкість і корозійну стійкість, легко оброблятися, забезпечувати стійкий контакт між струмознімаючим елементом движка й обмоткою, а також стабільний невеликий перехідний опір між щіткою та обмоткою.

Щітки виготовляються з неблагородних (у цьому разі неминуча нестабільність перехідного опору, спричинена перепадом температури, впливом домішок, що містяться в повітрі, утворенням оксадних плівок) і благородних металів типу платини, іридію, паладію та їх сплавів (платина-іридій, паладій-іридій, паладій-срібло-кобальт).

Контактний тиск забезпечується гнучкістю движка і коливається для різних конструкцій щіток у межах (3...100) 10 Н.

Фізико-механічні властивості найбільш поширених матеріалів для струмознімаючих елементів

Нові типи ПП

Прагнення подолати зазначені недоліки ПП, а також розширити коло задач, що розв'язуються за їх допомогою, дало поштовх до створення недротяних прецизійних потенціометрів з резистивними елементами на основі провідної пластмаси.

Однорідна за структурою резистивна плівка забезпечує високу розподільчу здатність, низький рівень динамічних шумів і можливість роботи при високих швидкостях переміщення струмознімача (до 1000 об/хв), а малі індуктивність і ємність створюють сприятливі умови для роботи недротяних потенціометрів на високих частотах.

Проте ці елементи мають нижчі точність і стабільність, а також великий температурний коефіцієнт опору і високий перехідний опір у точці контакту. За підвищених вимог до зносостійкості ПП доцільно використовувати фотоелектричні потенціометричні датчики або магніто-резистивні потенціометри, в яких відсутній рухомий струмознімач.

Фотопотенціометр за характером перетворення сигналу являє собою аналог потенціометричного вимірювального перетворювача. Він має резистивний шар 3 і провідний шар 5, нанесені поряд на ізолюючій підкладці 4 і відокремлені один від одного напівпровідниковим шаром 6 (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Схематичне зображення конструкції фотопотенціометра

Під дією світлового потоку, що передається від джерела світла 1 по світловоду 2, на освітленій ділянці напівпровідникового відокремлювального шару утворюються фотоелектрони, у результаті чого ділянка резистивного шару, що відповідає положенню світловоду, електричне з'єднується з провідним шаром. При повороті світловоду вихідний сигнал фотопотенціометра змінюється. Реверсивність елемента досягається введенням середньої точки 7 резистивного шару. Як бачимо, відсутність рухомого тертьового контакту дає змогу досягти високої зносостійкості. Крім того, безконтактні потенціометри порівняно зі звичайними характеризуються нижчим рівнем шумів, що виникають у процесі регулювання, високою надійністю та швидкістю регулювання вихідного сигналу. Проте точність відтворення функціональної залежності, температурна стабільність і потужність розсіяння фотопотенціометра низькі. Останнім часом ведуться розробки рідинних потенціометрів, для яких в якості резистивного елементу використовується рідина керметних потенціометрів. Резистивні елементи останніх виготовляють спіканням суміші скла з порошком окису паладію, срібла або золота з органічним пластифікатором. Також ведуться розробки потенціометрів, що базуються на нових фізичних принципах: ефекті Холла, МДН-структурах метал-діелектрик-напівпровідник, електрохімічних явищах. Проте жодний з цих видів потенціометрів не може повністю витіснити інший, оскільки кожний з них поряд з перевагами має також істотні недоліки, а тому найраціональніше може бути використаний лише в певних умовах.

Конструкції ПП

Відомі і застосовуються в основному такі види ПП:

дротяні (обмоткові), які, у свою чергу, поділяються на одно- та багатообертові;

плівкові, в яких робочий елемент - це шар напівпровідника або металевого сплаву (як правило, родію), нанесеного на ізоляційний каркас (здебільшого зі скла). Напруга з датчика знімається за допомогою металокерамічних щіток. Вона змінюється плавно, без стрибків; ці перетворювачі можуть бути виготовлені на будь-який опір;

з рідинним (найчастіше ртутним) контактом.

За формою каркаса дротяні потенціометричні перетворювачі поділяються на такі види:

а)з прямокутним каркасом;

б)з фігурним каркасом (рис. 1.3).

Рис. 1.3

в)із ступінчастим каркасом (рис. 1.4).

Рис.1.4

ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ

1. У відповідності до технічних характеристик розрахувати лінійний потенціометричний перетворювач

2. У відповідності до технічних характеристик розрахувати функціональний потенціометричний перетворювач

3. У відповідності до технічних характеристик розрахувати тензометричний перетворювач

4. У відповідності до технічних характеристик розрахувати ємнісний перетворювач

РОЗДІЛ 1. ЛІНІЙНІ ПОТЕНЦІОМЕТРИЧНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ (ПП)

Лінійним ПП називається перетворювач з лінійним розподілом опору вздовж каркасу потенціометра, тобто такий, що має лінійну статичну х-ку в режимі ХХ.

Розглянемо схему, зображену На рис. 1.1

Рис 1.1 Схема ПП для його розрахунку

Нехай задано вихідні параметри для розрахунку: напругу живлення U і максимальний кут повороту движка(щітки)

Кут обмотки ПП має задовольняти співвідношенню .Для ПП з лінійним переміщенням движка .

Чутливість ПП з кутовим переміщенням движка . Для ПП з лінійним переміщенням движка ,звідки можна отримати значення крутості х-ки ПП. Опір обмотки ПП

,

де - питомий опір проводу обмотки. ,де -середня довжина одного витка, мм; - число витків обмотки на каркасі; q- площа поперечного перерізу проводу обмотки, .

Враховуючи, що число витків обмотки

Де - довжина обмотки на каркасі по дузі каркасу або по робочій доріжці, мм(рис 1.2); - діаметр обмотувального проводу з ізоляцією, мм, дістаємо формулу для визначення опору обмотки у вигляді:

Рис 1.2

Довжину обмотки на каркасі по дузі каркаса або по робочій доріжці можна знайти з пропорції:

де r - радіус кривини каркаса або робочий радіус движка, мм,

.

Тоді вираз для опору обмотки ПП запишемо у вигляді

Для каркаса ПП прямокутного перерізу (рис 1.3). середня довжина одного витка

Рис 1.3 Середня довжина одного витка

де h - висота каркасу; b - товщина каркасу.

Розрахунок лінійного потенціометричного перетворювача

Виконаємо розрахунок лінійного потенціометричного перетворювача для сигналізації зміни тиску на 0,1 ат від нормального, що дорівнює 2ат.

Принципову схему сигналізатора зображено на рис.. Мембрана використовується як чутливий елемент і дає переміщення движка Дl=1мм при зміні тиску на 0,1 ат. ПП працює на поляризоване реле з напругою спрацьовування Д U=0,5 В. Напруга живлення ПП дорівнює 15 В. Каркас ПП квадратного перерізу (h=b). Опір реле R_H=5000 Ом.

Рис.1.4

Оскільки опір реле досить великий і в нормальному стані движок потенціометра перебуває в нульовому положенні, то в розрахунок замість ДU можна підставити безпосередньо напругу спрацьовування реле.

Послідовність розрахунку

1. Вибираємо як обмотувальний провід константан марки Е-2Н16 з такими характеристиками: 0,28 мм, q = 0,049 мм², - 0,49 Ом*мм²/м,

= 3 А/мм².

2. Загальну довжину обмотки на каркасі по дузі каркаса ПП визначаємо з співвідношення:

3. Загальне число витків:

4. Загальний опір:

5. Середня довжина одного витка може бути знайдена з співвідношення

6. Знаючи довжину одного витка l_щ, потрібні габаритні розміри квадратного перерізу ПП легко визначити з формули

Оскільки h=b, то квадратний переріз, тоді

РОЗДІЛ 2. ФУНКЦІОНАЛЬНІ ПП

Функціональні ПП- це перетворювачі з нелінійним розподілом опору вздовж каркасу, тобто із змінним співвідношенням або . Такі ПП використовуються для компенсації власної не лінійності навантаженого ПП або не лінійності одного чи декількох елементів схеми приладу (або системи), увімкнених до чи після ПП.

Застосовуються такі методи отримання нелінійного розподілу опору по довжині потенціометра:

1)намотка проводу потенціометра змінним кроком;

2)використання обмотувального проводу з різними діаметрами або з різними питомими опорами;

3)створення змінної довжини витка за рахунок змінного периметра поперечного перерізу каркаса (зміна плавна або ступінчаста);

4)шунтування ділянок потенціометра з лінійним розподілом опору сталими опорами.

Два останніх методи найпростіші і тому застосовуються частіше за інші.

Іноді, щоб дістати нелінійну залежність, використовують спеціальні кінематичні ланки.

Виконаємо розрахунок функціонального потенціометра із змінною довжиною витка за рахунок змінного периметра поперечного перерізу каркаса (так званого профільного ПП).

Профільний потенціометр (рис 2.1)у звичайному виконанні - це плоска ізоляційна пластинка (каркас) невеликої товщини, з одного боку прямолінійна, а з другого - вирізана по деякій кривій.

На таку пластинку щільно (виток до витка) намотується дріт. До кінців ПП підводиться напруга живлення U, а з його движка знімається напруга , функціонально залежна від переміщення X движка.

Вид залежності від X визначається формою вирізу каркасу потенціометра, тобто залежністю його висоти h від переміщення X движка….

Рис 2.1. Профільний потенціометр

Рис. 2.2. Способи побудови функціональної залежності ПП: а - характеристика; б - з ступінчастим каркасом; в - із змінним кроком намотки

Потрібно лише, щоб характеристика кожної ділянки потенціометра мала нахил, який точно дорівнює відповідному нахилу відрізка ламаної 0-1-2-3-.... На рис. 2.2, в показано спосіб побудови аналогічної ламаної характеристики застосуванням на різних ділянках каркаса різних відстаней

між витками (кроку намотування). Той самий результат дістанемо, якщо виконуватимемо намотування різних ділянок потенціометра проводами різних діаметрів або з різних матеріалів з неоднаковими р

У ряді випадків виконання потенціометра з плавно профільованим каркасом пов'язане із значними труднощами його виготовлення та намотування проводу. Тоді користуються таким прийомом. Криву потрібної залежності ІІ_ВИХ =F(х) розбивають так, як показано на рис.2.2, а на ряд ділянок і утворені при цьому точки (0, 1, 2, 3,...) сполучають прямими лініями. Кількість ділянок визначається допустимою похибкою при реалізації залежності 1/шк ~К^Х) ^{1 м}^^є бути тим більшою, чим менша допустима похибка.

Здобута таким чином ламана характеристика наближено замінює точну безперервну характеристику і може бути реалізована значно простіше за допомогою розбиття всього потенціометра на ряд ділянок з сталою висотою каркаса на кожній ділянці (рис. 2.2,6).

Розрахунок функціонального ПП

Розрахуємо шунтуючі опори до потенціометра довжиною l=160мм і опором 160 Ом, якщо необхідна залежність вихідної напруги від переміщення движка

де ;

Напруга живлення U=20 В. Максимально допустима похибка вихідної напруги має бути меншою за 0,3 В.

Необхідна залежність U_вих=U_sina може бути здійснена за допомогою профільного потенціометра, висота каркаса якого змінюється за законом

Рис.2.3



Для розрахунку шунтуючих опорів будуємо криву U_вих=U_sina, показану на рисунку і розбиваємо її на ділянки: 0-1, 1-2, 2-3.

Рис.2.4

При розбитті максимальна похибка

ніде не перевищує 0,3 В, тобто вкладається у задані межі.

При цьому довжина окремих ділянок потенціометрів становлять l₁=80мм, l₂= 50мм, l₃=30мм, а опори відповідних ділянок R₁=50Ом, R₂=80Ом, R₃=30Ом, оскільки намотка потенціометра рівномірна.

звідки

Необхідний приріст напруги на кожній ділянці

Оскільки струм на всіх ділянках потенціометра має бути однаковим, можна скласти рівняння

звідки, зрівнявши окремо два перші та окремо два другі дроби, дістанемо

Знаючи повні опори окремих ділянок потенціометра, знаходимо значення потрібних шунтуючих опорів:

Перевіримо правильність виконаного розрахунку для однієї з ділянок потенціометра, наприклад, першої. Приріст напруги на цій ділянці

Здобутий приріст вихідної напруги на першій ділянці дорівнює заданому, що підтверджує правильність розрахунку. Аналогічно можна перевірити розрахунок і для інших ділянок ПП.

РОЗДІЛ 3. ТЕНЗОМЕТРИЧНІ ПП

Тензометричні перетворювачі ґрунтуються на використанні зміни електричного опору провідних матеріалів (металів і напівпровідників) при розтягу та стиску їх у межах пружних деформацій.

У практиці вимірювальних перетворювачів тензоефект застосовують в двох напрямках:

· використання тензоефекту об'ємно стискає мого або розтягує мого тензочутливого матеріалу. Вхідна величина такого перетворювача - тиск газу або рідини, що його оточують. На цьому принципі будуються перетворювачі високих і надвисоких тисків, які виготовляють у вигляді без каркасної обмотки, намотаної звичайно з манганінового дроту. Перетворювачами низьких тисків є германієвий або кремнієвий тензорезистор.

· застосування тензоефекту лінійно розтяжного або стискуючого тензочутливого матеріалу. Перетворювачі цієї групи можуть бути виконані у вигляді наклеюваних дротяних, фольгових, плівкових або так званих вільних (навісних) ТП. Їх використовують для вимірювання малих переміщень, деформацій або зусиль, які спричинюють деформацію деталей.

Переваги тензометричних перетворювачів:

· малі маси та габаритні розміри;

· можливість вимірювати сталі та змінні деформації;

· можливість розміщувати їх у важкодоступних місцях;

· простота конструкції і дешевизна виконання.

Основні недоліки тензометричних перетворювачів:

· наявність поперечної тензочутливості для дротяних тензометричних перетворювачів, яка становить 0,25 - 1% (у фольгованих і не наклеюваних тензометричних перетворювачів вона практично відсутня);

· мала потужність вихідного сигналу тензометричних перетворювачів.

Клас точності вимірювальних пристроїв з тензоперетворювачами лежить у межах 0,2 - 1,5%

Найчастіше застосовуються в промисловості такі різновиди тензометричних перетворювачів:

· провідникові (дротяні та фольгові):

· напівпровідникові;

· плівкові.

Дротяні тензометричні перетворювачі у загальному випадку (рис.4.1 ) являють собою ряд петель тонкого тензочутливого дроту 1 (решітку) (число петель від 2 до 80) діаметром 0,01…0,05мм з високоомного сплаву, наклеєних на ізоляційну підкладку (прокладку) 2 і згори заклеєних також ізоляційною підкладкою (захисним папером). На рис. 4.1 позначено: b - ширина решітки; - довжина петлі або база тензометричного перетворювача. =5…25 мм; t - ширина петлі або крок петлі; t2d=0,8…10 мм; d - діаметр дроту тензометричного перетворювача.

Для зміцнення місця закріплення вивідних кінців згори та знизу тензометричного перетворювача приклеюють смужки паперу і роблять розвантажувальну петлю (рис. 3.1):

Рис. 3.1. Конструкція наклеюваного дротяного тензометричного перетворювача.

До кінців дроту приєднані паянням або зварюванням виводи 3 із мідного дроту. Опір таких ТП 20…500 Ом. Найчастіше для дротяних ТП застосовують такі матеріали: константан, ніхром, манганін, вісмут.

Щоб отримати ТП з малою базою (1…3 мм), їх роблять двошаровими і виготовляють намотуванням тензочутливого дроту 1 (рис. 3.2) на трубчастий паперовий каркас 2, який після проклеювання розплющується і наклеюється на підкладку 3.

Рис. 3.2. конструкція двошарового наклеюваного дротяного тензометричного перетворювача

Дротяні ТП бувають наклеювані і ненаклеювані. ТП наклеюють на зачищену поверхню деталі, що випробується.

Таблиця 3.1 Характеристики тензочутливих матеріалів

Матеріал	S	d, мкм	, Ом-мм2/м	*10-6, 1/°С
Константан МНМц-40- 1,5	2Д	10; 20; 30	0,46...0,52	-20...110
Сплав НМ23ХЮ	2,2±0,05	10;20; ЗО	1,45...1,60	<35
Матеріал	Е, Па	, Па		аг106, 1/°С	°С
Константан МНМц-40- 1,5	1,48-10	65-107		14...15	500
Сплав НМ23ХЮ	2,1-1011	(130-150)х х107	>18	11,5	500

Не наклеювані (вільні) ТП: використовуються для багаторазового вимірювання малих деформацій, переміщень і сил. Найчастіше вільні ТП використовуються в датчиках тиску. Конструктивно вільні ТП для вимірювання деформацій і малих переміщень виконуються у вигляді одного або ряду тензочутливих дротів, закріплених кінцями на дві спільні струмоізольовані пластини або планки, які можуть кріпитися до деталі або вузлів, що випробуються, і деформацію або переміщення яких потрібно вимірювати. Відносне переміщення планок є вхідною величиною таких перетворювачів.

При цьому ділянки дроту можуть з'єднуватися як паралельно (рис. 3.3, а), так і послідовно (рис. 3.3, б).

Рис. 3.3. Конструкція вільного тензоперетворювача із з'єднанням: а - паралельним; б - послідовним

Переваги не наклеюваних ТП - відсутність поперечної тензочутливості, можливість використання для багаторазових вимірювань, відсутність повзучості.

Недолік не наклеюваних ТП - їх складніше, порівняно з дротяними і фольговими ТП, використовувати для вимірювання деформацій у важкодоступних місцях.

Фольгові ТП: являють собою тонку стрічку товщиною 0,01...0,02 мм з фольги, на якій частину металу вибрано (наприклад, травленням) так, що частина, яка залишилася, утворює показану на рис. 3.5 решітку з виводами. Ця решітка закріплюється (найчастіше приклеюється) між плівками з лаку. Форма петель може бути довільною.

Завдяки потовщенням ТП працюватиме при поздовжній деформації (по осі Оу) і не працюватиме в разі поперечної деформації (по осі Ох) (рис. 3.4).



Рис. 3.4 Фольговий тензоперетворювач

Фольгові ТП виготовляють таким чином. Спочатку наносять фотоемульсію, роблять з негативу відбиток решітки на фользі, проявляють, дублять (роблять рисунок кислотостійким), наносять на зворотний бік шар лаку, а потім травильною кислотою вибирають зайвий метал і отримують тензорезистор потрібного рисунку.

Переваги фольгових ТП:

· відсутність поперечної тензочутливості;

· менші, порівняно з дротяними ТП, маса та габаритні розміри;

· кращі умови охолодження, завдяки чому через фольгові ТП можна пропускати значно більші;

· безінерційність, тобто можливість вимірювати швидкозмінні деформації;

· забезпечення кращої якості приклеювання до деталі, що випробовується, порівняно з дротяними ТП;

· можливість розміщення у важко доступних місцях;

· наявність найсучаснішої технології виготовлення;

· простота конструкції та дешевизна виготовлення.

Недоліки фольгових ТП - обмежене застосування, оскільки на їх виході малопотужний сигнал (необхідно використовувати високоточну, часто досить громіздку вторинну апаратуру); порівняно низький опір, який не перевищує 50 Ом.

Плівкові ТП: мають досить широке застосування. Метод виготовлення плівкових ТП: тензочутливий матеріал наноситься на плівку вакуумною возгонкою і подальшою конденсацією на плівці. Для виготовлення Плівкових ТП застосовують як металеві (наприклад, титаноалюмінієвий сплав), так і напівпровідникові (германій, кремній) матеріали.

Переваги та недоліки плівкових ТП такі самі, як і фольгових. При виготовленні фольгових і плівкових ТП можна передбачити будь-який рисунок їх решітки (їх істотна перевага), що дає змогу застосовувати їх для дослідження механічних напружень деталей найрізноманітнішої конфігурації.

Напівпровідникові ТП - це тонкі (до 0,01 мм) пластини або стрижні з напівпровідникового матеріалу. До кінців такої пластини спеціальним методом кріплять металеві виводи. Напівпровідникові ТП приклеюють по всій довжині або по кінцях до поверхні, що контролюють.

Перевага напівпровідникових ТП -- дуже висока чутливість, яка досягає кількох сотень одиниць і є на один-два порядки вищою, ніж у дротяних ТП.

Недоліки напівпровідникових ТП: низька механічна міцність; значний гістерезис; нестабільність характеристики.

Матеріали напівпровідникових ТП: найчастіше використовуються такі напівпровідники, як германій, кремній, сурм'янистий індій; штучні суміші "тензоліти" (графіт з тонким кварцовим піском і смолою, графіт з крейдою та шеланом або каніфоллю, вугілля або сажа з бакелітовим лаком). Широкого застосування набули напівпровідникові монокристалічні ТП.

Чутливість напівпровідникового ТП залежить від орієнтації його чутливого елемента (нитки) відносно кристалографічних напрямів, тобто в напівпровідниках на відміну від металів спостерігається анізотропія тензоефекту. Сучасна напівпровідникова тензометрія має кілька напрямів. Перший з них пов'язаний з розвитком поодиноких наклеюваних тензорезисторів. Поодинокі напівпровідникові тензорезистори - аналоги провідникових. Тепер випускають досить багато типів наклеюваних напівпровідникових ТП з підкладками і без підкладок типів Ю-8 і Ю-12. Конструктивно вони оформлені у вигляді гантелеподібної пластини кремнію 1 (рис. 3.3), вирізаної в кристалографічному напрямі найбільшого тензорезистивного ефекту. На кінці пластини наносять контактний шар 2 і термокомпресією або іншим способом приєднують виводи 3.

Коефіцієнт тензочутливості таких елементів, наклеєних на сталь 45 лаком ВЛ-931 при температурі 25±10°С і відносній деформації до 0,1%, становить 110±20; база /_б = 5...7 мм, номінальний електричний опір 100...200 Ом.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

До переваг таких ТП належить висока чутливість, мініатюрність, можливість отримати високий рівень вихідного сигналу. Проте їм притаманні і істотні недоліки: складність монтажу, великий вплив температури, пружна недосконалість, великий розкид метрологічних характеристик, внаслідок чого вони поступаються за точністю дротяним тензорезисторам. Похибка поодиноких напівпровідникових ТП становить 0,5-1%.

Розрахунок тензометричного ПП

Опір навантаження r_н = 3000 Ом; кількість ТП у схемі мосту - 1; база l_б= 15 мм; ширина b= 5 мм; ТП клеїться на метал; питома допустима площа поверхні охолодження у_доп = 2*10² мм²/Вт. Потрібно розрахувати ТП (рис. ).



Рис.3.6 Конструкція наклеюваного дротяного ТП (1 - тензочутливий дріт; 2 - ізоляційна підкладка; 3 - виводи)

Вибираємо дріт із константану. Діаметр дроту d = 0,025 мм. Питомий опір матеріалу дроту с = 0,49 * 10^-3 Ом*мм.

Обчислимо крок t ? 2d = 0,05 мм. Виберемо t = 0,07 мм. Визначимо число петель ТП за формулою 2w--1= b/t=5/ 0,07 = 71, звідки

w = =36.

Знайдемо вихідний внутрішній опір r мосту за формулою r = г₀ + r_п, узявши до уваги, що

r₀ = = = 14,98 (Ом)

r_n = = = 4,99 (Ом).

Тоді r = г₀ + r_п = 14,98 + 4,99 = 19,97 Ом. Розраховане значення r<r_и=3000 Ом, тобто розрахунок виконано не за оптимальним варіантом.

Напруга на вході ТП:U = = 10,18 (B).

Потужність споживача в тензоперетворювачі:

P = = 4,3 (Вт).

РОЗДІЛ 4. ЄМНІСНІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ (ЄП)

Ємнісні вимірювальні перетворювачі використовуються для перетворення лінійних або кутових переміщень, тисків, вібрацій, прискорень, рівнів рідини в електричний сигнал. ЄП застосовують для контролю швидкозмінних процесів, пульсуючих тисків, вібрацій, як перетворювачі непогодження, а також у випадках, коли потрібне мінімальне навантаження переміщуваних деталей або мають бути відсутні механічні зв'язки. В авіаційній техніці широко використовуються ємнісні паливоміри. ЄП являє собою конденсатор, що складається з двох чи більше пластин, відокремлених одна від одної шаром повітря чи іншим діелектриком.

Основні переваги ЄП:

· висока чутливість;

· невеликі маса та габаритні розміри;

· мале значення зворотної дії.

Недоліки ЄП:

· високий внутрішній опір, що робить його малопотужним, а головне, дуже сприйнятливим до впливу завад і наводок;

· відносно невисока стабільність крутості характеристики в зв'язку із зміною геометричних розмірів ЄП при дії температури, а діелектричної проникності - при дії вологості;

· значний вплив паразитних ємностей, зокрема ємності екранованого проводу (екранування обов'язкове в зв'язку з великим впливом завад і наводок), який з'єднує ЄП з іншими елементами схеми;

· необхідність роботи на порівняно високій частоті (від одиниць кілогерц і вище), яка змушує застосовувати спеціальне джерело живлення ЄП, стабілізоване за напругою й частотою; ці -для зняття сигналу з ЄП потрібно мати високочутливий вторинний перетворювач з великим вхідним опором.

Практично ЄП - це конденсатор змінної ємності, керований вхідною величиною (звичайно переміщенням).

Основні конструктивні різновиди ЄП

Ємність будь-якого конденсатора у фарадах залежить від трьох основних параметрів: площі пластин S, відстані між пластинами і діелектричної проникності середовища є між пластинами конденсатора:

Із наведеної формули бачимо, що зміни ємності можна досягти, змінивши значення однієї з величин , S або . Прологарифмуємо вираз для С:

Продиференціювавши і перейшовши до запису в частинних приростах, дістанемо

Якщо

,

то маємо варіант конструкції ЄП із змінним зазором, або із змінною відстанню між пластинами (рис. 4.1, а, б):



Рис. 4.1. Ємнісний перетворювач із змінним зазором: а - конструкція; б - характеристика

Якщо

,

то можна дістати варіант конструкції ЄП із змінною площею взаємного перекриття пластин (рис. 4.2, а, б):

Рис. 4.2. Ємнісний перетворювач із змінною площею: а - конструкція; б - характеристика

Якщо

,

то можна дістати варіант конструкції ЄП із змінною діелектричною проникністю (рис. 4.3, а, б):

Рис. 4.3. Ємнісний перетворювач із змінною діелектричною проникністю середовища: а - конструкція;.6 - характеристика

Ємнісні перетворювачі зі змінною діелектричною проникністю застосовуються значно рідше за інші.

Щоб збільшити чутливість ЄП, застосовують диференціальні конструкції з рухомою середньою пластиною і змінним зазором (рис. 4.4). Під час переміщення середньої пластини ємність однієї половини такого перетворювача зростає, а другої половини зменшується, тобто чутливість такого диференціального ЄП порівняно з простим перетворювачем збільшується.

Рис. 4.4. Диференціальний ємнісний перетворювач із змінним зазором

Для диференціального ЄП ємність кожної з його половин



Щоб збільшити потужність вихідного сигналу, відстань So між пластинами потрібно вибирати мінімальною. Проте при цьому зменшується і можливе переміщення рухомої пластини.

Рис 4.4. Диференціальний ємнісний перетворювач із змінною площею

Основні схеми ввімкнення ЄП

Рис. Мостова схема ввімкнення ЄП

У разі зміщення пластини Сі₂ = С₀ + АС; Сп=Со- АС, На виході мосту виникне напруга.

Для перетворення зміни ємності у відповідні зміни сили струму, напруги або частоти найчастіше застосовують мостову або резонансну схему вмикання ЄП. Мостову схему ввімкнення зображено на рис. 4.5. За середнього положення рухомої пластини, коли Сп = Св, тобто приріст А = 0, міст збалансований і напруга на його виході дорівнює нулю.

Резонансну схему вмикання ЄП показано на рис. 4.6. У такій схемі ЄП - елемент резонансного контуру, і зміна ємності ЄП спричиняє зміну резонансної частоти, що, у свою чергу, приводить до зміни амплітуди струму, який протікає по контуру.

Рис. 4.6. Резонансна схема ввімкнення ЄП

Генератор 1 високої частоти живить індуктивне пов'язаний з ним контур, що складається із індуктивності /, змінного конденсатора підстроювання С і ЄП С_х. Напруга що знімається з контуру, підсилюється підсилювачем 2 і вимірюється гальванометром 3. За допомогою конденсатора підстроювання С контур за середнього положення рухомої пластини ЄП настроюється на частоту, близьку до резонансної з частотою генератора. При цьому домагаються такого настроювання, щоб напруга, яка знімається з контуру, дорівнювала приблизно половині напруги при резонансі С/_р.

Розрахунок ємнісного перетворювача

Потрібно розрахувати ЄП за таких даних: частота джерела живлення f=4000 Гц; напруга джерела живлення U =130 В; площа поверхні пластини S= м; відстань між пластинами мм; середовищем між обкладками ЄП - вакуум.

1. Визначимо ємність

(пФ);

2. Знайдемо кутову частоту напруги живлення:

(с^-1);

3. Обчислимо активний опір, що забезпечує максимальну чутливість схеми:

(МОм);

4. Визначимо потужність, що розсіюється на активному опорі:

Вт.

5. Обчислимо силу зворотного впливу:

(Н).

ВИСНОВКИ

потенціометричний перетворювач автоматика

На основі технічного завдання до курсової роботи було розраховано лінійний потенціометричний перетворювач (ЛПП), функціональний потенціометричний перетворювач (ФІШ), тензометричний перетворювач (ТП), та ємнісний перетворювач (ЄП). Основними перевагами цих перетворювачів є простота виконання.

Перетворювачі широко застосовуються в різних системах автоматики, лічильно-розв'язувальних пристроях і системах слідкуючого привода. Найчастіше вони перетворюють лінійні і кутові переміщення, вимірювання малих переміщень, деформацій або зусиль, які спричинюють деформацію деталей, тисків, вібрацій, прискорень, рівнів рідини, у відповідну зміну напруги.

Размещено на Allbest.ru