Расчетная работа по техническим измерениям. Расчетная работа Техн.измер. Гоувпо "Донецкий национальный технический университет" Кафедра Электро механических систем

• Название: Гоувпо "Донецкий национальный технический университет" Кафедра Электро механических систем
• Анкор: Расчетная работа по техническим измерениям
• Дата: 06.03.2023
• Размер: 165.37 Kb.
• Имя файла: Расчетная работа Техн.измер.docx
• Тип: Документы; #971588

ГОУВПО "Донецкий национальный технический университет"
Кафедра «Электро механических систем»


Расчетное задание
по дисциплине «Техническое измерение в гидро-пневмо системах приводе»

Студента (ки) _3_ курса _ГПМб-19__ группы
направление подготовки ___ 15.03.02__
специальности_Технологические машины и оборудование_
______Ракович Р.В.___________

(фамилия и инициалы)

Донецк 2023

Задание на расчетную работу

Расчетная работа по дисциплине «Технические измерения в гидро- пневмосистемах» выполняется на тему «Проектирование и расчет потенциометрического датчика»
Исходные данные для расчёта (см. таблицу 1): Таблица 1 – Исходные данные

№ вар.	хвх max		Кд			вх min			lmax, %		t, C		R0, мм		Материал каркаса
	, град	L, мм	В/ град	В/мм	угл. мин.		мм
0	8		1		4			1		-50…+50		30		Керам.
1	7		1		3			1		-50…+50		40		Керам.
2	9		1		2			1		-50…+50		50		Керам.
3	8		1		2			0,5		-50…+50		60		Керам.
4	7		2		4			0,5		-50…+50		30		Керам.
5	9		2		3			0,5		-50…+50		40		Керам.
6	8		2		2			1,5		-50…+50		50		Керам.
7	7		2		2			1,5		-50…+50		60		Керам.

+50°

где

1. 
   Максимальный угол входной величины Xвх max =  =8град.
   
2. 
   Коэффициент передачи датчика Кд=2 В/град.
   
3. 
   Порог чувствительности вх min=min=2мин.
   
4. 
   Максимальная относительная погрешность _lmax,=1,5%.
   
5. 
   Диапазон изменения температуры окружающей среды ^ t =-50°...
   

6. 
   Материал каркаса: керамика.
   

Порядок выполнения расчетной работы:

Рассчитать по методике расчета двухтактного потенциометрического

датчика угловых перемещений, выполненном на линейном потенциометре,

потенциометрический датчик, 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. 
   Расчет характеристик надёжности работы схемы.
   
5. 
   Начертить схему.
   

Введение

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:




Рисунок 1 – Потенциометрический датчик

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

Каркас изготавливается 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 термореактивным лаком. После намотки каркас помещают в печь, лак затвердевает и прекрасно закрепляет 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.). 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 180о 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 исполнении ПД, так и спецификой их работы в конкретных условиях автоматики, телемеханики и счетно-решающей технике. При этом должны учитываться условия работы, тактико-технические и эксплуатационные требования, предъявляемые к потенциометрам – основным элементам этих датчиков.

1. 
   Расчет потенциометрического датчика
   

Основные параметры ПД условно можно разделить на конструктивные и схемные, или электрические параметры (рис.2, а, б).


Рисунок 2 – Конструктивные параметры ПД

К конструктивным параметрам относятся: D0 - средний расчетный диаметр каркаса;

п - угол намотки потенциометра; h - высота каркаса;

в - ширина или толщина каркаса;

m- суммарная технологическая добавка; ln - рабочая длина каркаса;

t - шаг намотки;

n - число витков обмотки;

d- диаметр провода обмотки без изоляции; dиз - диаметр провода о изоляцией.

К схемным, или электрическим параметрам относятся: U - напряжение питания датчика;

Rn - общее сопротивление обмотки потенциометра;

 - удельное сопротивление материала провода;
lmax - максимальная относительная погрешность нагруженного датчика.

1. 
   Последовательность расчёта
   

1. 
   Вычисляем общую величину угла намотки потенциометра.
   

_n 2 х_вхmax _Т

 2 8 4 20град

где ^Т
- технологическая добавка к рабочей протяженности каркаса

( ^Т =3…5 мм).

2. 
   Вычисляем длину намотки потенциометра
   

_l ^_n^{ D}₀^{ } _ 20 100 3,14_17

ⁿ 360 360

мм.

3. 
   Определяем число витков датчика
   

n  <sup>n

вх</sup>хmin

_ 20

0,2

 100 витков

4. 
   Вычисляем шаг намотки
   

t  ^ln

n

 ¹⁷  0,17мм  0,17 10^3 м 100

5. 
   Определяем диаметр провода в изоляции и без нее:
   

d_из  t  (0,012...0,015)  0,17  0,013  0,157мм  0,157 10^3 м_,

d  t  0,03  0,17  0,03  0,14мм  0,14 10^3 м _.

6. 
   Выбираем высоту h , толщину в и материал каркаса
   

h  (0,3...0,6)  l_n

 0,6 1710^3  10,2 10^3 м _,

в  ^h 

8

10,2*10^-3

= 1,3 10 м^-3

8 _.

7. 
   Определяем среднюю длину lср одного витка обмотки
   

l_ср  2  (h  в)    d_из  2(10,2  1,3)  3,14  0,157  23,5мм

8. 
   Вычисляем длину провода обмотки lобм
   

l_обм  l_ср  n  23,5  100  2350мм

9. 
   Определяем минимально допустимое напряжение питания
   

К  ^U ;


д

ⁿ следовательно

U  K_д

 _n

 2  20  40В _.

10. 
    Вычисляем допустимую величину тока In, протекающего по обмотке датчика
    

I_n  j  S_пр  j 

  d²

4

 20 

3,14  0,14²

4

 0,3A

,

где j – допустимая плотность тока, j=15…20 А/мм² для ПД с керамическим каркасом;

Sпр – площадь поперечного сечения провода обмотки.

11. 
    Определяем необходимое сопротивление обмотки ПД
    

R_n 

U _ 40

I_n 0,3
 133Ом

.

12. 
    Вычисляем необходимое удельное сопротивление обмотки
    

_{ } R_n    S _ 133  3,14  0,0153 _{ 0,270 Ом  мм2 / м}

^{lср  n} 23,510^3  100 _,

  d ²

S 

где ⁴ .

13. 
    Выбираем материал провода для обмотки.
    

Близким удельным сопротивлением к полученному обладает материал свинец с =0,21…0,29 Ом·мм2/м (этот материал обладает малой зависимостью удельного сопротивления от температуры).

Итак, мы выбираем константановый провод марки ПЭК с удельным электрическим сопротивлением =0,27 Ом·мм2/м. Диаметр провода уточняем по сортаменту:

_{с изоляцией} d_из  0,56мм  0,56 10^3 м _;

без изоляции

d  0,52мм  0,52 10^3 м _.

14. 
    Определяем действительные значения Rn и j
    

R
_ ^{4 l}_ср ^{n  } _ 4 23,5 10^3  100 0,270 _{ 41200Ом}

ⁿ   d² 3,14  0,14² 10^3

15. 
    Вычисляем абсолютное значение U
    

U  ^{l  U}  ^{0,1 40}  0,04B

100 100 _.

16. 
    Определяем потребный нагрузочный коэффициент
    

U_вых.н  0,49  U  0,49  40  19,6 _В,

r*

^{Uвых.н.  U}1    (r^*  r^*2 )
, следовательно при
^r* =0,5 имеем:

_{ } 0,5U  U_вых.н

0,125  U

_ 0,5  40  19.6 _{ 8 102.}

0,125  40

17. 
    Вычисляем минимально допустимую величину сопротивления нагрузи, которое может быть подсоединено к ПД, чтобы l = 0,1 %
    

  ^Rn

R _{н ,}

R  ^Rn

н <sub>

</sub> 41200

8 10^2
 515000Ом  515кОм

.

18. 
    Определяем поверхность обмотки
    

S_обм  2  l_n (h  в    d_из )  2 1710^3  (10.2 1.3  3,14  0,56) 10^3  451мм² 

 451 10^6 м²  4,51см ²

19. 
    Вычисляем действительное значение перегрева обмотки в установившемся режиме.
    

При расчете температурного режима датчика обычно пользуются методикой, основанной на ориентировочном определении величины перегрева датчика в установившемся режиме. В основу этого расчёта положена следующая приближенная формула:

_U 2 

R _n

m  c

^Sобм

  _у

где m - коэффициент, учитывающий теплопроводимость каркаса и изоляции обмотки (равный 0,5-0,7 для пластмассовых, 1,5 для керамических и 2-3 для алюминиевых каркасов);

с - коэффициент теплоотдачи обмотки;

Sобм - поверхность обмотки, соприкасающаяся со средой;

у - установившийся перегрев обмотки (превышение температуры датчика над температурой окружающей среды).

^уст

 _U2

R_n  m  c  S

обм

_ 40²

41200 1,5  6 10^4  2,0205

 21,3.

Для керамического каркаса с = ^{6 10}4

Вт/град · см2

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. Расчет надежности

Вероятность безотказной работы изделия при основном соединении N элементов записывается как

_N t

_N  _{ }_i(t)dt

i
P(t) 

 ^{P (t)  e} i1

^i10

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

P(t)  e

• 
  ^N  t i1 ⁱ
  

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

P(t)  e

r


_i i
t _ N 

i1

типа;

Для расчета надежности необходимо знать:

1. 
   вид соединения элементов расчета надежности;
   
2. 
   типы элементов, входящих в изделие, и число элементов каждого
   

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,
  
• 
  ki, учитывающий механические нагрузки и относительную влажность окружающего воздуха.
  

Итак, получим следующие характеристики надёжности схемы:

1. 
   Средняя интенсивность отказа:
   

_k

_  _

i1

^Ni^i

 (1 0,09) 10^6  0,09 10^{6 1}

час

2. 
   Вероятность безотказной работы, в течение 500 часов:
   

t ^k N 

P(500)  e



i1

^{i i}  e

5000,0910^6

 0,999955

3. 
   Средняя наработка до первого отказа:
   

1


T_cp



_ 1

0,09 10^6
 11111111,1часов.

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

P_расч. (500)  0,999955  P_задан. (500)  0,98
следовательно, дополнительно предусматривать резервирование элементов нет необходимости.
Выводы по проведённой работе

В результате проведенной работы мы рассчитали параметры двухтактного потенциометрического датчика угловых перемещений, выполненного на линейном потенциометре с керамическим корпусом и спиралью из константана по заданной методике расчёта.

По полученным данным выбрали из справочника АЦП, параметры которого соответствовали с данными о необходимом напряжении нагрузки АЦП.

Провели расчёт надёжности для полученной схемы, в соответствии с которым выяснили, что вероятность безотказной работы изделия в течение

500 часов удовлетворяет требуемой надёжности

P_расч. (500)  0,999955 

^{Pзадан. (500)  0,98}, и поэтому резервирование

элементов производить не требуется.

Литература

1. 
   Колосов, С.П., Элементы автоматики / С.П. Колосов и др. - М.: Машиностроение, 1970.
   
2. 
   Красовский, А.А. Основы автоматики и технической кибернетики / А.А. Красовский, Г.С. Поспелов. - М.: ГЭИ, 1972.
   
3. 
   Аскерко, В.С. Техническая электроника и элементы авиационных автоматических устройств. Часть II / В.С. Аскерко. - М.: ВВИА им. Жуковского, 1975.
   

Приложение




Рисунок 3 - Схема потенциометрического датчика