Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.»
Кафедра «Приборостроение»
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе по дисциплине
«Измерительные преобразователи и электроды»
Тема: Разработка реостатного преобразователя
|
«Выполнил» |
|
Студент гр. БМА-31 МСФ |
|
Беляков А.М._____________ |
|
«___»_______________2013г |
|
«Проверил» |
|
Здражевский Р.А.__________ |
|
«___»_______________2013г |
Саратов 2013
СОДЕРЖАНИЕ
|
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….….. |
3 |
|
1.Теоретическая часть…………………………………………………..…… |
4 |
|
1.1.Описание конструкции……………………………………………...…… |
4 |
|
1.2. Классификация реостатных преобразователей…………………....... |
6 |
|
2.Расчетно-конструкторская часть…………………………………….……. |
12 |
|
2.1.Расчет основных параметров…………………………………………..... |
12 |
|
2.2. Метрологическая характеристика………………………………………. |
14 |
|
2.3. Выбор схемы включения и расчет надежности………………..………. |
16 |
|
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….. |
17 |
|
Список литературы………………………………………………….………... |
18 |
|
Приложение |
ВВЕДЕНИЕ
Электромеханические резистивные преобразователи перемещения представлены реостатными и контактными преобразователями. Если у контактных преобразователей выходной величиной является замкнутое или разомкнутое состояние контактов (т.е. выходная величина принимает только дискретные значения), то у реостатных преобразователей выходная величина непрерывна и представляет собой изменение сопротивления, пропорциональное перемещению движка.
Изменение сопротивления (при постоянстве всех остальных параметров электрической цепи) может быть однозначно преобразовано в изменение напряжения или тока. В этом заключается основной принцип действия электромеханических резистивных преобразователей перемещения.
1.Теоретическая часть
1.1.Описание конструкции
Принцип действия.
Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, а выходной – сопротивление.
На рисунке 1 показано устройство реостатного преобразователя.
На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.
Рисунок 1. Устройство реостатного преобразователя
Реостатные преобразователи выполняются как с проводом, намотанным на каркас, так и реохордного типа. Чаще всего используется провод из различных сплавов платины, обладающих повышенной коррозионной стойкостью и износостойкостью; применяется также манганин, константан, фехраль. Микропровод позволяет выполнять миниатюрные преобразователи, имеющие габариты до 5х5 мм.
Каркас выполняется из керамических материалов, пластмассы, гетинакса, металлов (алюминий, дюраль), покрытых слоем лака или оксидной изоляцией. Каркас должен обладать большой теплоотдачей.
Обмотку выполняют из эмалированного или оксидированного провода с последующим покрытием лаком. Следует выбирать материалы проволоки и каркаса так, чтобы их температурные коэффициенты расширения отличались бы незначительно. В противном случае изменение температуры преобразователя может привести к распусканию обмотки или к появлению недопустимых напряжений.
Токосъемные щетки выполняют в виде проволок или лент из бронзы, платиноиридиевого сплава и других упругих материалов или в виде ролика. Последний ставят с некоторым перекосом для обеспечения небольшого скользящего трения и зачистки контактной дорожки.
В жидкостных реостатах подвижным элементом является ртуть.
1.2.КЛАССИФИКАЦИЯ РЕОСТАТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Существует большое разнообразие конструкций реостатных преобразователей перемещения. Они могут быть проволочными и непроволочными. Проволочные отличаются высокой точностью преобразования и стабильностью функции преобразования. Их недостатки – низкая разрешающая способность, невысокое сопротивление (до десятков килоом). Указанные недостатки отсутствуют у непроволочных преобразователей, однако они значительно уступают проволочным по точностным характеристикам. Реостатные преобразователи делятся также на преобразователи с линейным и вращательным перемещением подвижного элемента.
Наиболее распространенными являются следующие конструкции реостатных преобразователей перемещения:
• Многообходный преобразователь (рис. 3-а) состоит из кольцевого каркаса,на который равномерно намотана обмотка. При вращении подвижного контакта сопротивление возрастает от нуля до максимальной величины (рис. 3-б). При прохождении контакта вне зоны обмотки сигнал отсутствует.
Рисунок 2. Многообходный реостатный преобразователь: а) конструкция ; б) характеристика
• Многооборотный преобразователь (рис. 4) обладает расширенным диапазоном входных величин, достигающим 25-40 оборотов. На алюминиевый спиралевидный каркас наматывается проволочная обмотка. Щетка, совершая вращательное и поступательное движения, скользит по поверхности провода. При равномерной намотке провода статическая характеристика преобразователя имеет линейный характер.
Рисунок 3. Многооборотный реостатный преобразователь
Полное сопротивление реостатного измерительного преобразователя:
, (1)
где R0 – сопротивление одного витка преобразователя; - удельное сопротивление материала проволоки; - длина одного витка; - площадь поперечного сечения витка; w – количество витков.
Подставляя в (1)
; ;
(2),
где: t – шаг одного витка, d – диаметр проволоки, D – диаметр каркаса.
Потенциометрические измерительные преобразователи имеют дискретность преобразования за счет минимально возможного изменения сопротивления на длину одного витка (рис. 2), определяемую шагом t. Следовательно, такие преобразователи имеют межвитковую погрешность.
Кроме того, погрешности преобразователя возможны от неоднородности по длине, непостоянства диаметра каркаса, влияния температуры. Чем выше удельное сопротивление ρ проволоки, тем выше чувствительность преобразователя. Поэтому в качестве материала проволоки в потенциометрическом измерительном преобразователе используется нихром, манганин, константан, вольфрам, платина и сплавы на основе серебра и никеля. В качестве каркаса используется керамика, фарфор и другие термостойкие изоляторы.
Рисунок 4. Передаточные характеристики потенциометрического измерительного преобразователя: 1 – идеальная, 2 – реальная.
Рисунок 5. Схема последовательного включения реостатного измерительного преобразователя.
Рисунок 6. Функция преобразования потенциометрического преобразователя при его последовательном включении с нагрузкой.
Реостатные преобразователи аналогично контактным являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями (за исключением преобразователей реохордного типа), поскольку непрерывному изменению входной величины соответствует ступенчатое изменение сопротивления.
Источники основной погрешности:
• загрязнение контактной пары щетка-провод и ее окисление;
• стирание контактной поверхности;
• гистерезис щетки преобразователя вследствие нежесткого ее крепления;
• температура внутреннего нагрева.
Источники дополнительной погрешности:
• погрешность квантования
• влияние внешних магнитных полей на преобразователи с выходным током и напряжением,
заключающееся в наведении дополнительной ЭДС в обмотке;
• колебание частоты питающей сети;
• колебание напряжения Uсети;
• влажность воздуха;
• изменение величины контактного сопротивления при изменении скорости перемещения подвижной части, которое может достигать значительных величин;
• вибрация, которую уменьшают путем выполнения волосков щетки разной длины (это приводит к различным собственным частотам колебаний).
• влияние внешней температуры на размеры h, δ, d и удельное сопротивление ρ;
Суммарная погрешность, вызванная непостоянством параметров преобразователей составляет 0,05-0,1%. Температурная погрешность обычно не превышает 0,1% на 10 градусов.
Достоинства реостатных преобразователей перемещения:
• отсутствие реактивных усилий на подвижную часть;
• высокая перегрузочная способность;
• высокий коэффициент эффективности;
• компактность;
• возможность применения на постоянном и переменном токе;
• удобство эксплуатации.
Недостатки реостатных преобразователей перемещения:
• засорение контактной дорожки;
• недостаточно высокая надежность из-за наличия скользящих контактов;
• пожароопасность.
Реостатные преобразователи перемещения применяются в качестве промежуточных элементов измерительных и регулирующих устройств. Так как многие неэлектрические величины могут быть преобразованы в перемещение (с помощью упругих механических элементов ), то реостатные преобразователи перемещения широко используются в датчиках давления, силы, ускорения, расхода, уровня и т.п.
2. Расчетно-конструкторская часть
2.1.Расчет основных параметров
Проволочный потенциометр характерезуется следующими основными величинами:
− рабочая длинна обмотки или рабочий угол поворота движка потенциометра в мм;
средний расчетный диаметр каркаса в мм;
H – высота каркаса в мм;
b – ширина или толщина каркаса в мм;
d – диаметр проволоки обмотки без изоляции в мм;
диаметр проволоки обмотки с изоляцией в мм;
ρ – удельное сопротивление материала провода в ом×/м;
t – шаг намотки;
n – число витков обмотки;
В качестве материала для резистивного элемента был выбран сплав платина-медь.
H = 8мм
b = 3мм
d = 0,1 мм
t = 0,12 мм
ρ = 0,15 ом×/м
Напряжение питания
Чтобы обеспечить стабильную работу потенциометра, при выборе диаметра и марки проволоки, кроме размеров и общего сопротивления, необходимо знать также его тепловой режим. Плотность тока не должна превышать 10 А/. Плотность тока:
2.2. Метрологическая характеристика
Важной характеристикой потенциометра является разрешающая способность. Она определяет чувствительность с которой может быть установлено выходное напряжение.
Количественно разрешающая способность выражается отношением изменения сопротивления или выходного напряжения, при перемещении подвижного контакта, к полному сопротивлению или входному напряжению.
У проволочных потенциометров разрешающая способность очень высокая и лимитируется дефектом резистивного элемента[1].
Рисунок 7. Функциональная характеристика потенциометра.
Приращение выходного напряжения найдем по формуле[1]:
Найдем функциональную характеристику потенциометра:
Длинна обмотки при повороте но угол α:
Рабочее число витков в обмотке:
Полученные данные занесем в таблицу:
|
α |
l |
n |
Uвых |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
|
30 |
7,85 |
65,4 |
0,4 |
|
60 |
15,7 |
130,8 |
0,7 |
|
90 |
23,5 |
196,3 |
1,1 |
|
120 |
31,4 |
261,7 |
1,5 |
|
240 |
62,8 |
523,3 |
2,9 |
|
270 |
70,7 |
589 |
3,3 |
Построим зависимость выходного напряжения от угла поворота:
Рисунок 8.Функциональная характеристика потенциометра
– абсолютная погрешность потенциометра
Найдем относительную погрешность:
2.3. Выбор схемы включения и расчет надежности
Рисунок 9.Схема включения потенциометра.
Интенсивность отказов проволочных потенциометров:
Заключение
В данной курсовой работе был разработан однооборотный проволочный потенциометр.
Разработанный потенциометр имеет максимальный угол поворота – 270˚. Резистивный элемент изготовлен из платиново-медной проволоки диаметром 0,1 мм.
Было рассчитано максимальное сопротивление резистивного элемента =
Погрешность потенциометра .
Список литературы: