Курсовая работа по техническим средствам автоматизации

метки: Работа, Средство, Технический, Управление, Курсовой, Эксплуатация, Датчик, Автоматизация

Потенциометрическим датчиком (ПД) называется элемент автоматики, осуществляющий преобразование механического превращения (углового или линейного) в электрический сигнал за счет изменения величины активного сопротивления, к которому подключена нагрузка.

Основные элементы потенциометрического датчика:

Рис. 1. Потенциометрический датчик.

1. Каркас
2. Обмотка
3. Подвижный контакт (движок) и корпус

Каркас изготовителя из изоляционного материала(эбонита, текстолита, керамики и т.д.) или из металлов(например, алюминия) для отвода тепла.

Обмотка изготавливается из изолированной проволоки, имеющей большое удельное электрическое сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления. Обычно для изготовления обмоток ПД применяют сплавы: никеля с медью(константан), хрома, никеля и железа (нихром), меди, марганца и никеля(манганин), а также сплавы благородных металлов, которые отличаются высокой стойкостью по отношению к коррозии.

Обмотку необходимо хорошо укреплять на каркасе, чтобы при движении контакта движка не происходило смещения. Для этого обмотку

наматывают на каркас, покрытый не засохшим термореактивным лаком. После намотки каркас помещают в печь, лак затвердевает и прекрасно крепит обмотку.

Для создания надежного контакта обмотки с контактом движка (подвижным контактом) контактную дорожку тщательно очищают специальными абразивными материалами, химическими или ультразвуковыми способами и т. п. Иногда контактная дорожка полируется и даже гальванически покрывается золотом.

Движок ПД состоит из упругого элемента и контакта. Упругий элемент (пружина) обеспечивает необходимое контактное давление и компенсирует небольшие неровности на поверхности обмотки.

Контакт припаивается к пружине мягким или твердым припоем. Рекомендуется выбирать контакт из материала более мягкого, чем обмотка (золото, серебро, сплавы платины и др.).

Никелевые сплавы

... какой-то степени повторяющих природные химические составы железо-никелевых сплавов, входящих в основу метеоритных железных сплавов. Таким образом, никель является одним из древнейших металлов, об­наруженных совместно" ... большое значение имеет применение никеля в качестве легирующего элемента в специальных сталях и спла­вах. О большом разнообразии составов никелевых сплавов свидетель­ствует то, что ...

Для большей эксплуатационной надежности иногда используются два токосъемных контакта.

Корпус потенциометра чаще всего имеют форму цилиндра, закрытого одной или двумя крышками, и выполняется из металла или изоляционного материала. В металлических корпусах выполняются потенциометры, предназначенные для эксплуатации при повышенных температурах и в сложных условиях, и потенциометры, к которым предъявляются высокие требования в отношении точности. Компромиссным решением является корпус из пластмассы с металлическими крышками.

Ось потенциометра крепится в шариковых подшипниках или подшипниках скольжения, размещенных в крышке или в корпусе потенциометра.

В зависимости от конструкции ПД, их можно подразделить на:

• кольцевые;
• пластинчатые;
• стержневые;

— многооборотные.

В зависимости от конструктивного исполнения ПД делятся на однотактные и двухтактные.

Все ПД можно питать как постоянным, так и переменным током.

У двухтактных ПД, питание которых осуществляется переменным током, при изменении положения движка относительно нейтрали фаза выходного напряжения меняется на 180 о относительно фазы напряжения питания. Двухтактные ПД могут выполнятся на одном и двух потенциометрах (мостовая схема).

Достоинства ПД являются :

1. Возможность получения линейной характеристики в широком диапазоне углов.
2. Способность работы на постоянном и переменном токе.
3. Значительная снимаемая мощность.
4. Малый вес и габариты.
5. Малая подверженность помехам со стороны электромагнитных полей.

Недостатками ПД являются :

1. Наличие механического контакта, резко снижающего надежность и срок службы датчиков, а также обусловливающего момент сухого трения.
2. Ступенчатость характеристики и принципиальная ограниченность чувствительности.
3. Необходимость токоподводов.
4. Сложность изготовления.

В настоящее время разработано и применено большое количество схем и конструкций ПД, применяемых в различных приборах и устройствах. В технической литературе приводятся различные методы расчёта, особенности которых определяются как различиями в конструктивном исполнение ПД, так и спецификой их работы в конкретных

условиях автоматики, телемеханики и счетно-решающей технике. При этом должны учитываться условия работы, тактно-технические и эксплуатационные требования, предъявляемые к потенциометрам – основным элементам этих датчиков.

Задание

Исходные данные для расчёта (см. таблицу 1):

Таблица 1.

№ вар.	х вх max	Кд	 вх min	 lmax , %	 t,  C	R 0, мм	Материал каркаса
	 , град	L , мм	В/град	В/мм	Угл. мин	мм
4		20		0,7		0,6	1,2	-15+70		Керам.

Где,

1.Максимальное значение входной величины х вх max = L вх max =20

2.Коэффициент передачи датчика Кд = 0.7 мм .

3.Порог чувствительности  вх min = 0.6мм.

4.Максимальная относительная погрешность  m ах = 1,2 % .

5.Диапазон изменения температуры окружающей среды

 t = -15+70

Исходя из исходных данных понимаем, что у нас линейный поиенциометрический датчик.

Задачи курсовой работы :

Рассчитать по методике расчета двухтактного потенциометрического датчика линейных перемещений, выполненном на линейном потенциометре, потенциометрический датчик, согласовать параметры полученного ПД с АЦП, рассчитать надежность, наработку на отказ и начертить схему.

Основными этапами расчета по данной методике являются:

1. Определение основных конструктивных параметров каркаса и обмотки.

2. Расчет электрических параметров обмотки.

3. Расчет температурного режима датчика.

4. Выбрать АЦП, по полученным параметрам ПД.

5. Расчет характеристик надёжности работы схемы.

6. Начертить схему.

1.Расчет потенциометрического датчика

Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа.

Рисунок1. Электрическая схема потенциометрического датчика

По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на

• ламельные с постоянными сопротивлениями;
• проволочные с непрерывной намоткой;
• с резистивным слоем.

Ламельные потенциометрические датчики использовались для проведения относительно грубых измерений в силу определенных конструктивных недостатков.

В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям.

Ламель представляет собой конструкцию с чередующимися проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт. При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

Рисунок 2. Ламельный потенциометрический датчик

Проволочные потенциометрические датчики предназначены для более точных измерений. Как правило их конструкции представляют собой каркас из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник.

Диаметр проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0,03-0,1 мм , низкий 0,1-0,4 мм).

Материалы провода: манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.

Преимущества потенциометрических датчиков:

• простота конструкции;
• малые габариты и вес;
• высокая степень линейности статических характеристик;
• стабильность характеристик;
• возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатки потенциометрических датчиков:

• наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка;
• погрешность в работе за счет нагрузки;
• сравнительно небольшой коэффициент преобразования;
• высокий порог чувствительности;
• наличие шумов;
• подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Статическая характеристика потенциометрических датчиков

Рисунок 3. Статическая характеристика потенциометрического датчика.

Статическая характеристика нереверсивного потенциометрического датчика

Рассмотрим на примере потенциометрического датчика с непрерывной намоткой. К зажимам потенциометра прикладывается переменное или постоянное напряжение U. Входной величиной является перемещение X, выходной − напряжение Uвых. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна т.к. справедливо соотношение : Uвых=(U/R)r,

где R- сопротивление обмотки; r- сопротивление части обмотки.

Учитывая, что r/R=x/l, где l — общая длина намотки, получим Uвых=(U/l)x=Kx [В/м],

где К — коэффициент преобразования (передачи) датчика.

Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный).

Существуют схемы чувствительные к изменению знаку. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке 4.

Рисунок 4.Реверсивная схема потенциометрического датчика

Рисунок 5. Статическая характеристика реверсивного потенциометрического датчика

Полученные идеальные характеристики могут существенно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:

1.Зона нечувствительности.

Выходное напряжение меняется дискретно от витка к витку, т.е. возникает эта зона, когда при малом входная величина Uвых не меняется.

Величина скачка напряжения определяется по формуле: DU=U/W, где W- число витков.

Порог чувствительности определяется диаметром намоточного провода: Dx=l/W.

Рисунок 6. Зона нечувствительности потенциометрического датчика

2.Неравномерность статической характеристики из-за непостоянства диаметра провода, удельного сопротивления и шага намотки.

3.Погрешность от люфта, возникающего между осью вращения движка и направляющей втулкой (для уменьшения используют поджимные пружины).

4. Погрешность от трения.

При малых мощностях элемента приводящего в движение щетку потенциометрического датчика может возникать за счет трения зона застоя.

Необходимо тщательно регулировать нажим щетки.

5.Погрешность от влияния нагрузки.

Рисунок 7. Потенциометрический датчик под нагрузкой

Рисунок 8. a — Эквивалентная схема потенциометрического датчика с нагрузкой, б — Влияние нагрузки на статическую характеристику потенциометрического датчика.

Динамические характеристики потенциометрических датчиков

Передаточная функция

Для вывода передаточной функции удобнее за выходную величину взять ток нагрузки, его можно определить пользуясь теоремой об эквивалентном генераторе. Iн=Uвых0/(Rвн+Zн)

Рассмотрим два случая:

1.Нагрузка чисто активная Zн=Rн т.к. Uвых0=K1x Iн=K1x/(Rвн+Rн)

где K1 − коэффициент передачи датчика на холостом ходу.

Применяя преобразование Лапласа, получим передаточную функцию W(p)=Iн(p)/X(p)=K1/(Rвн+Rн)=K

Таким образом, мы получили безынерционное звено, а значит датчик имеет все, соответствующие этому звену частотные и временные характеристики.

Рисунок 9. Схема замещения

1. Последовательность расчёта

1. Определяем общую величину намотки потенциометра

2. Вычисляем длину намотки потенциометра

3. Определяем число витков датчика

4. Вычисляем шаг намотки

1. Определяем диаметр провода в изоляции и без нее

Стандартный диаметр провода выбирается из таблицы, которая приводится в справочниках.

1. Выбираем высоту h , толщину в и материал каркаса

В качестве материала каркаса дана керамика.

7. Определяем среднюю длину l ср одного витка обмотки

8. Вычисляем длину провода обмотки l обм

9. Определяем минимально допустимое напряжение питания

10. Вычисляем допустимую величину тока I п , протекающего по обмотке датчика

где: j – допустимая плотность тока, j =15…20 А/мм 2 для ПД с керамическим каркасом;

S пр – площадь поперечного сечения провода обмотки.

11. Определяем необходимое сопротивление обмотки ПД,

12. Вычисляем необходимое удельное сопротивление обмотки

, где .

1. Выбираем материал провода для обмотки.

Близким удельным сопротивлением к полученному обладает материал константан с  =0,48…0,52 Ом·мм 2 /м (этот материал обладает малой зависимостью удельного сопротивления от температуры).

Итак, мы выбираем константановый провод марки ПЭЛ с удельным электрическим сопротивлением  =0,52 Ом·мм 2 /м . Диаметр провода уточняем по сортаменту:

с изоляцией ;

без изоляции .

14.Определяем действительные значения R n и j

Проверку на плотность тока производить нет необходимости, так как выбран провод с удельным сопротивлением, превышающим расчетную величину.

15.Вычисляем абсолютное значение  U

1. Определяем потребный нагрузочный коэффициент

В,

, следовательно при =0,5 имеем:

17. Вычисляем минимально допустимую величину сопротивления нагрузи, которое может быть подсоединено к ПД, чтобы  l = 1 %

18. Определяем поверхность обмотки

19. Вычисляем действительное значение перегрева обмотки в

установившемся режиме

Для керамического каркаса с = Вт/град

— см 2

Из условия хорошего контакта движка о обмоткой и отсутствия коробления каркаса допускается превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды не более  доп = 40 … 50°,

где  доп =  об —  ср ;

 ср температура окружающей среды;

 об — температура обмотки.

Так как при расчете получено, что  уст < [  доп ] никаких поправок в расчет вносить не требуется.

Следует иметь в виду, что температура контактирующих поверхностей не должна превышать 120-150°С. Это позволит исключить интенсивное окисление материалов обмотки и движка.

2. Выбор АЦП и согласование его с датчиком

В качестве АЦП выбираем К1113ПВ1 – АЦП последовательных приближений, так как параметры данной микросхемы удовлетворяют полученному в расчётах выходному напряжению нагрузки .

Параметры микросхемы К1113ПВ1 приведём в таблице 2:

Таблица 2.

Тип Микро-схемы	N	, % (МЗР)	, мкс	, В	, В	, В
К1113ПВ1	10	(1)	30	5 ±5%; -15±5%	±10	10,24	2,4/0,4	28

АЦП имеет внутренний источник опорного напряжения, тактовый генератор и компаратор напряжения. Для включения АЦП требуются источники питания и формирователь преобразования. Схема построения АЦП приведена на рис. 3.

а) б)

Рис. 3. Микросхема К1113ПВ1.

а —функциональная схема:

1 — ЦАП;

2 — регистр последовательного приближения (РПП);

3 — буферный усилитель;

4 — компаратор;

5 — схема управления сдвигом нуля;

6 — генератор;

8 — делитель;

9 — схема формирования сигнала «Готовность данных»;

10 — схема управления преобразованием и выводом данных;

б — схема включения Выводы:

1 (9-й разряд) — 9 (СЗР) — цифровые выходы;

10 — плюс U ип ;

11 — вход управления выводом и вводом данных;

12 — минус U ип ;

13 — аналоговый вход;

14 — «аналоговая земля»;

15 — управление сдвигом нуля;

16 — «цифровая земля»;

17 — выход готовности данных;

18 —МЗР

Микросхема имеет выходные устройства с тремя устойчивыми состояниями, что упрощает его сопряжение с шиной данных микропроцессора. Несколько АЦП могут обслуживать один микропроцессор, и наоборот.

Режим работы микросхемы в микропроцессорной системе определяется управляющими импульсами от микропроцессора. При поступлении на вход «Гашение и преобразование» микросхемы К1113ПВ1 уровня лог. 0 АЦП начинает преобразование входной информации. Через время, необходимое для преобразования, на выходе АЦП «Готовность данных» появляется сигнал с уровнем лог. 1, запрашивающий вывод данных с АЦП на шину данных системы. Приняв данные в системную магистраль, МП устанавливает на входе «Гашение и преобразование» АЦП уровень лог. 1, который «гасит» информацию, содержащуюся в регистре последовательного приближения, и АЦП снова готов к приему и обработке входных данных.

Аналого-цифровой преобразователь может обрабатывать входную информацию в виде однополярного аналогового напряжения до 10,24В и двухполярного ±5,12В . При включении АЦП в двухполярном режиме вывод 15 (управление сдвигом нуля) должен быть открыт, а в однополярном режиме его необходимо соединить с выводом «цифровая земля».

Микросхема К1113ПВ1 допускает предварительную установку напряжения смещения нуля. В зависимости от точности регулирования и диапазона необходимой шкалы входного напряжения применяются различные варианты схем регулирования напряжения смещения. Так, при максимальном диапазоне входного сигнала U BX = 10,24 В регулировка

напряжения смещения проводят переменным резистором 100…200Ом , подключенным между источником сигнала и аналоговым входом 13 , а для достижения точности ±1/2 единицы МЗР – переменным резистором 5…50 Ом , подключенным с выхода 14 («аналоговая земля») на «корпус».

Таким образом, для согласования датчика и АЦП нам потребуется делитель напряжения для уменьшения сигнала, так как U вх АЦП =10,24В, а выходное напряжение потенциометрического датчика U вых.н =17,052В. Рассчитаем значения сопротивлений делителя напряжения.

Для расчета сопротивления, с которого снимается сигнал на АЦП, воспользуемся соотношением:

, где , , тогда

Исходя из полученных значений сопротивлений выбираем:

1) R н1 — МЛТ 0,5Вт 18КОм;

2) R н2 – МЛТ 0,5Вт 39КОм.

Таким образом, получаем следующую схему (см приложение).

3. Расчет надежности

Вероятность безотказной работы изделия при основном соединении N элементов записывается как

На практике наиболее часто интенсивность отказов изделий является величиной постоянной. При этом время возникновения отказов обычно подчинено экспоненциальному закону распределения. Тогда

Если имеется r типов элементов и i -й тип содержит N i равнонадежных элементов, то

Для расчета надежности необходимо знать: 1) вид соединения элементов расчета надежности; 2) типы элементов, входящих в изделие, и число элементов каждого типа; 3) величины интенсивности отказов элементов  i , входящих в изделие.

Принимая во внимание режим работы элементов, требуется ввести поправочные коэффициенты:

—  i учитывающий температуру и электрическую нагрузку,

• k i , учитывающий механические нагрузки и относительную влажность окружающего воздуха.

Итак, получим следующие характеристики надёжности схемы:

1. Средняя интенсивность отказа:

2. Вероятность безотказной работы, в течение 500 часов:

3. Средняя наработка до первого отказа:

часов.

Все параметры удовлетворяют требуемым значениям. Полученная вероятность безотказной работы схемы в течение 500 часов удовлетворяет требованию надёжности

следовательно, дополнительно предусматривать резервирование элементов нет необходимости.

Выводы по проведенной работе

В результате проведенной работы мы рассчитали параметры двухтактного потенциометрического датчика угловых перемещений, выполненного на линейном потенциометре по заданной методике расчёта.

По полученным данным выбрали из справочника АЦП, для которого в соответствие с данными о необходимом напряжение нагрузки АЦП, поставили делитель напряжения для уменьшения выходного нагрузочного напряжения потенциометра.

Провели расчёт надёжности для полученной схемы, в соответствии с которым выяснили, что вероятность безотказной работы изделия в течение 500 часов удовлетворяет требуемой надёжности , и поэтому резервирование элементов производить не требуется.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/kursovaya/po-tehnicheskim-sredstvam-avtomatizatsii/

1. Методическое пособие для расчета датчиков.
2. Конспект лекций по дисциплине.
3. Справочник Цифровые и Аналоговые Интегральные Микросхемы

Приложение

PAGE 1