Материалы сайта
Это интересно
Проектирование манометра с дистанционной передачей
ФИЛИАЛ МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ В Г. УГЛИЧ Кафедра «Приборы точной механики» КУРСОВОЙ ПРОЕКТ по дисциплине «Теория, расчет и проектирование измерительных приборов» на тему : «Расчет и проектирование электрического манометра с дистанционной передачей» |Студент Улитина О. Ю. |Шифр 96228 | |Вариант 28 |преподаватель Лемелев Л.М. | |Подпись студента |Подпись преподавателя | | | | |Дата 15.06.2000 |Дата | г. Углич 2000 г. Электрические дистанционные манометры предназначены для выдачи визуальной информации об измеряемой давлении на некотором расстоянии от места, в котором производится измерения В комплект прибора обычно входят датчик и указатель, соединенные между собой электрической линией связи. I.ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ |Измеряемое давление |6*105 | |P[Па]: | | |Допустимая погрешность %:|3,2 | |Тип указателя: |Двух катушечный логометр с подвижным | | |магнитом или гальванометр (рис. 1,2) | |Тип чувствительного |Мембранная коробка | |элемента: | | |Время работы t [c]: |2700*3,6*103 | II.ЗАДАЧИ РАСЧЕТА. В задачи проектирования и расчета входят определения размеров конструктивных параметров прибора, электрических параметров измерительной схемы, а также электрических и механических параметров датчика указателя. Необходимо произвести расчет статических и динамических характеристик и чувствительности измерительного преобразователя и прибора в целом. Кроме того следует рассчитать и построить шкалу прибора, определить динамические характеристики преобразователя в целом, рассчитать его погрешности и надежность. III. Содержание расчетно-пояснительной записки |1. ВВЕДЕНИЕ | | |2. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК | | |А) Расчет чувствительного элемента | | |Б) Расчет передаточно-множительного механизма | | |В) Расчет параметров электрической схемы | | |Г) Расчет логометра с подвижным магнитом | | |Д)Расчет цифрового выхода | | |3. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ |15 | |4. РАСЧЕТ И АНАЛИЗПОГРЕШНОСТЕЙ |16 | |СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ |21 | 1. ВВЕДЕНИЕ В электрических манометрах в качестве чувствительных элементов применяются гофрированные мембраны, мембранные коробки, манометрические трубки и сильфоны. Для преобразования деформации упругих элементов в электрический сигнал применяются либо омический (потенциометрический) преобразователь, либо индуктивный преобразователь, преобразующий перемещение чувствительного элемента в электрический сигнал, удобный для дистанционной передачи. В измерительных схемах осуществляется также компенсация температурных погрешностей прибора. В качестве указателей в манометрах обычно применятся логометры с подвижным магнитом. В соответствии с [2, стр. 173] и рис. 1, выбираем манометр серии ЭДМУ. [pic] Рисунок 1. Схема электромеханического дистанционного манометра с двух рамочным магнитоэлектрическим логометром. Функциональная схема прибора представлена на рис. 2. Рисунок 2. Функциональная схема. Звено 1 – мембранная коробка, преобразующая давление P в перемещение ( жесткого центра коробки, (=f1(P). Звено 2 – передаточно-множительный механизм, преобразующий перемещение центра мембранной коробки ( в перемещение движка потенциометра , Y=f2((). Звено 3 – потенциометр, преобразующий перемещение щетки потенциометра Y в изменение отношения сопротивлений [pic], [pic]. Звено 4 – электрическая схема, которая преобразует отношения сопротивлений потенциометра [pic] в изменение отношения токов [pic] в рамках логометра, [pic]. Звено 5 – логометр, преобразующий изменения соотношений токов [pic] в угловое перемещение ( подвижной системы указателей [pic] 2. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Характеристика чувствительной характеристики прибора необходимо предварительно рассчитать характеристики отдельных звеньев прибора. Это позволяет рассчитать чувствительность прибора и построить его шкалу. А) Расчет чувствительного элемента Характеристика чувствительного элемента может быть представлена зависимостью перемещения ( чувствительного элемента от измеряемого давления P [pic] В нашем случае в качестве чувствительного элемента задана мембранная коробка. Характеристику мембраны трапецеидального профиля можно определить по формуле |[pic] | | | |(1) | где P – измеряемое давление; ( - прогиб центра мембраны [м]; R – рабочий радиус мембраны [м]; a,b – коэффициенты зависящие от формы профиля мембраны h – толщина материала мембраны [м]; Е – модуль упругости материала (Е=1.2*108 Па для БрБ-2.5). Следуя указаниям из [4, стр. 472..475] принимаем R=0.04, h=0.002, a=48, b=0.042 и выразив ( из (1) получим (=0.008. Б) Расчет передаточно-множительного механизма Находим зависимость (1=f2(() где (1 – угол поворота щетки потенциометра. Принимаем передаточное отношение механизма i=10. Тогда имеем: [pic] При малых углах поворота ((1) перемещение щетки потенциометра можно считать пропорциональным углу поворота, т.е.: y=lЩ(1, y=0.98 см где lЩ – длина щетки до оси вращения(lЩ=3.5 см.) (радиус потенциометра). Изменение сопротивления одного из плеч потенциометра функционально связано с перемещением y щетки потенциометра RX=f4(y) и для линейного потенциометра [pic] где y0 – полная длина намотки потенциометра.(y0=1.2 см). R0 – сопротивление потенциометра 255 Ом. [pic] Далее найдем зависимость сопротивления RX давления P,.т.е. [pic] Далее рассчитаем конструктивные параметры потенциометра. 1. Средняя длина витка потенциометра [pic] где b и h – ширина и высота каркаса (b=5 мм. h=4 мм) [pic] 2. Диаметр проволки [pic] где RП – сопротивление потенциометра в ом; l0 – средняя длина витка в мм; lН – длина намотанной части потенциометра (lН=12 мм) (- удельное сопротивление в ом*мм2/м. (1.1 ом*мм2/м) d=0.034 мм 3. Число витков намотки потенциометра [pic] В) Расчет параметров электрической схемы При расчете электрической схемы следует определить зависимость [pic] где I1 и I2 токи в рамках логометра. При расчете плеч моста R1=R2=R и обозначив R0=RX+RY, характеристика электрической схемы имеет вид: [pic] Г) Расчет логометра с подвижным магнитом. Расчет логометра разделяется на две части 1. Определение необходимого характера кривых моментов и характеристики шкалы логометра 2. Расчет собственного измерительного механизма (параметры рамки, коэффициент усиления и т.д.). Зависимость угла поворота ( подвижной системы от отношения токов в рамках, для монометра типа ЭДМУ можно определить из формулы: [pic] при I1=0.0002 A I2=0.022 A (=29.9 0 Д)Расчет цифрового выхода Реализовать АЦП достаточно просто, используя цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) на однокристальной микросхеме К572ПА1, операционный усилитель К140УД9 и компаратор напряжения К554СА3. Рассмотрим более подробно компаратор напряжения К554СА3. Компаратор осуществляет переключение выходного напряжения, когда изменяющийся выходной сигнал становится выше или ниже определенного уровня. Компаратор принадлежит к классу формирователей, предназначенных для перехода от аналоговых сигналов к цифровым. Поэтому оконечные каскады компараторов обычно конструируют таким образом, чтобы выходное напряжение соответствовало бы принятым логическим уровням распространенных цифровым микросхем. Компаратор напряжения К554СА3 может питаться как от +-15 В так и +-9 В и даже +-5 В связи с этим применение компаратора становится разнообразным. ПНК последовательного счета строятся либо по классическому методу последовательно, либо с промежуточным преобразованием входного напряжения в какую либо другую аналоговую величину. Промежуточное преобразование снижает точность измерения тем не менее именно по этому методу строились, в основном цифровые измерители напряжения. Это объясняется тем, что ЦАП(преобразователь напряжение код) реализующие классический метод последовательного счета содержат формирователь ступенчатого эталонного напряжения, реализация которого на дискретных элементах приводила к большому объему оборудования по сравнению с другими типами ЦАП. Однако положение изменилось с развитием интегральной технологии и в настоящее время ЦАП исполняется в корпусе одной интегральной микросхемы Измеренное напряжение высвечивается на индикаторах типа АЛС324Б предварительно пройдя через двоично-десятичные счетчики типа К155ИЕ2и дешифраторы КР514ИД2. Расчет основных параметров АЦП. Микросхема К572ПА1 имеет следующие характеристики: Число разрядов: n=10 Максимальная нелинейность [pic] Температурный коэффициент нелинейности [pic] Время установления выходного сигнала при изменении цифрового сигнала на входе 500 нс. Расчет метрологических характеристик АЦП (допустимой средне квадратичной погрешности преобразования (измерения) ((ПР), величины амплитудного кванта ((ПР), величины кванта (d)): [pic] Число разрядов [pic] Величина временного кванта [pic] Период следования тактовых импульсов: [pic] Частота тактовых импульсов [pic] Расчет и выбор элементов генератора тактовых импульсов (ГТИ) ГТИ нетрудно реализовать используя интегральную микросхему К555ЛН1 см. рис. 5. Рисунок 4.Генератор тактовых импульсов Частоту генерируемых импульсов можно найти по формуле |[pic] | | | |(5) | где С1 – емкость конденсатора С1 R4 – сопротивление резистора R4 (R4=220 Ом) Зная fИМП и R4 можно определить емкость конденсатора С1 по формуле 5 С1=4.7 пФ Исходя из полученных данных выбираем следующие микросхемы: К554СА3 компаратор OP27A операционный усилитель фирмы Analog Devises К572ПА1 ЦАП 3. РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК С помощью структурной схемы (рис.3) определяется передаточная функция прибора. Динамический расчет производим из условия постоянной чувствительности прибора во всем рабочем диапазоне измерения. Определяем передаточные функции звеньев. Структурная схема (с логометром) Рисунок 4 1. Передаточная функция W1 состоит из трех звеньев: А) подводящего трубопровода [pic], где Т0 – постоянная времени Постоянной времени можно пренебречь, и тогда получим [pic] Б) чувствительного элемента – мембранной коробки [pic], FЭФ – эффективная площадь чувствительного элемента( в нашем случае(FЭФ=2(R при R=0.02 FЭФ=0.013 м) [pic] В) подвижной системы [pic], где КД – приведенный коэффициент демпфирования , СЖ – приведенный коэффициент жесткости, Т – постоянная времени воздушного демпфера, в качестве которого служит мембрана чувствительно элемента. м – приведенная масса подвижных частей. 2. Передаточная функция второго звена W2 – передаточно- множительного механизма [pic] 3. Передаточная функция 3-го звена W3 – потенциометр [pic] 4. Передаточная функция 4-го звена W4 –электрическая схема [pic][pic] На основании расчета характеристик отдельных звеньев прибора можно определить его чувствительность S S=S1S2S3S4S5 4.Расчет и анализ погрешностей При расчете суммарной погрешности следует учитывать систематическую составляющую инструментальной погрешности, как наиболее характерную для данного типа прибора. Суммарная погрешность находится по следующей формуле [pic] где (1 – погрешность мембраной коробки, которая складывается из погрешностей изменения жесткости мембраны во времени и неточностей изготовления. Эти погрешности нормируются при проектировании и изготовлении и они не превышают 0.5% ((1=0.5%) (2 – погрешности передаточно-множительного механизма, вызванные наличием зазоров, люфтов и влиянием температуры. Компенсируется подбором материалов и конструктивными способами. (3 – погрешность потенциометра; складывается из витковой и технологических погрешностей Максимальная величена витковой погрешности выражается по следующей формуле: [pic] (4– суммарная погрешность логометра. Принимается равной 0.9 % Исходя их этого получим (=1.64 % СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Берендс Д.А. и Ко, Методическое руководство по курсовому проектированию по дисциплине « Теория, расчет и проектирование измерительных приборов», М.,1981 г. 2. Браславский Д.А. Приборы и датчики летательных фппаратов. М.: Машиностроение, 1970 г. 3. Боднер В.А Авиационные приборы. М. :Машиностроение, 1969 г. 4. Г.А. Веркович и К0 Справочник конструктора точного приборостроения С-П: Машиностроение 1989 г. 5. Асс Б.А., Антипов Е.Ф., Жукова Н.М. Детали авиационных приборов. Изд. 2-е. М. : Машиностроение, 1966 г. ----------------------- [pic] [pic] W4(p) Wp(p) Wc(p) W2(p) W5(p) W3(p) W0(p) P’ P FДВ ( У RX [pic] ( W1(??–??/??????????/?????? p) [pic] [pic]