ЛР4. Расчет индуктивных преобразователей Вариант 16 21. 03. 01 Нефтегазовое дело

• Название: Расчет индуктивных преобразователей Вариант 16 21. 03. 01 Нефтегазовое дело
• Дата: 07.02.2023
• Размер: 139.73 Kb.
• Имя файла: ЛР4.docx
• Тип: Лабораторная работа; #924746

Министерство образования и науки российской федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего образования Нижневартовский государственный университет ФАКУЛЬТЕТ ЭКОЛОГИИ И ИНЖИНИРИНГА Кафедра Нефтегазовое дело

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ПО ДИСЦИПЛИНЕ:

«Основы автоматизации»

На тему: «Расчет индуктивных преобразователей

Вариант №16
21.03.01 «Нефтегазовое дело» (ЭОТОНП)

Выполнил: студент группы 9002 заочного отделения Халиуллин А.И. Проверил: Ассистент кафедры Н.Д. Ибадуллаев И.А.

г.Нижневартовск, 2022

Теоретические сведения

Потенциометрический преобразователь - датчик, входным сигналом которого является перемещение контакта, а выходным - напряжение, которое снимается с этого контакта. Представляет из себя катушку индуктивности (как правило, выполненную в виде неподвижного элемента конструкции), на которую подается питающее напряжение и щетки, с которых и снимается выходной сигнал. Существуют два основных типа потенциометрических преобразователей:

Преобразователи угловых перемещений. Преобразователи линейных перемещений.

Каркас изготавливается из изоляционного материала (эбонита, текстолита, керамики и т.д.) или из металлов (например, алюминия) для отвода тепла. Обмотка – из изолированной проволоки, имеющей большое удельное электрическое сопротивление и малый температурный коэффициент сопротивления. Обмотку необходимо хорошо укреплять на каркасе, чтобы при движении контакта движка не происходило смещения. 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.

Основные преимущества потенциометрических датчиков:

1. 
   высокая точность и стабильность функции преобразования,
   
2. 
   малое значение переходного сопротивления,
   
3. 
   низкий уровень собственных шумов,
   
4. 
   небольшой коэффициент сопротивления; Основные недостатки:
   

1. 
   небольшое значение разделительной способности,
   
2. 
   ограниченные возможности при использовании переменного тока,
   
3. 
   наличие скользящего контакта, что приводит к ограниченному количеству рабочих циклов датчика.
   

Расчет потенциометрических датчиков

Рассмотрим одну из методик расчета двухтактного потенциометрического датчика (ПД) угловых перемещений, выполненного на линейном потенциометре. Основными этапами расчета по этой методике являются:

1. 
   Определение основных конструктивных параметров каркаса и обмотки;
   
2. 
   Расчет электрических параметров обмотки;
   
3. 
   Расчет температурного режима датчика.
   

Основные параметры ПД условно можно разделить на конструктивные и электрические параметры. К конструктивным параметрам относятся:

D₀- средний расчетный диаметр каркаса;

_п- угол намотки потенциометра;

h - высота каркаса;

в - ширина или толщина каркаса;

_т- суммарная технологическая добавка;

l_n- рабочая длина каркаса;

t - шаг намотки;

n - число витков обмотки;

d- диаметр провода обмотки без изоляции;

d_из- диаметр провода о изоляцией.

К схемным, или электрическим параметрам относятся:

U - напряжение питания датчика;

R_n- общее сопротивление обмотки потенциометра;

 - удельное сопротивление материала провода;

_lmax - максимальная относительная погрешность нагруженного датчика.

Данные параметры связаны между собой следующими соотношениями:

_{l } _n D₀ 

ⁿ360

 nt

l_n  nt

Для инженерных расчетов принято, что шаг намотки

t  d_из  ( 0,012...0 ,015 )мм

Длина одного витка l_вопределяется как

l_в 2( h  в )  d_из

Обычно h и в определяют из соотношений

^{h (0,3...0,6)}l_n, h  8в

С другой стороны, длина витка может быть определена как

Rn   d ²

l_в 

4

При расчете температурного режима датчика обычно используются методикой, основанной на ориентировочном определении величины перегрева датчика в установившемся режиме.

В основу этого расчета положена следующая приближенная формула.

2
^U  mcS R_n

об^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;

S_об- поверхность обмотки, соприкасающаяся со средой;

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

Рассмотрим методику расчета на следующем конкретном примере.

Исходные данные:

1. 
   Максимальное значение входной величины = 11 + 16=27
   
2. 
   Максимальное значение входной величины х_вхmax=_вхmax=27
   
3. 
   Коэффициент передачи датчика Кд = 1В/град. 3.Порог чувствительности _min= 6.
   

4.Максимальная относительная погрешность _mах= 1 % . 5.Диапазон изменения температуры окружающей среды

t = -50C …+ 60C

6. Радиус R₀ = 30 мм.

Рекомендуемая последовательность расчета:

1. 
   Определение общей величины угла намотки катушки потенциометра
   

 _n 2вхmax _Т

 2 30 3  63

где _Т- технологическая добавка к рабочей протяженности каркаса (_Т= 3 … 5 ) .

2. 
   Вычисление длины намотки катушки потенциометра
   

_{l } _n D₀ 

ⁿ 360

 ^{63  60.3,14} 33 мм

360

3. 
   Определение числа витков датчика
   

n <sup>n

</sup> min

_ 63 0,1

 630 витков

4. 
   Вычисление шага намотки
   

t  ^ln

n

_33

630

 0 ,052 мм

5. 
   Определение диаметра провода в изоляции и без нее
   

^dиз

 t (0,012...0,015)мм,

d  0,052  0 ,022=0,03 мм

6. 
   Выбирается высота h , толщина в и материал каркаса
   

h (0,3...0,6)l_n 9,9 мм_{, .} h  9,9 в

(в = 1 мм) В качестве материала каркаса для лучшего отвода тепла выбирается алюминий.

7. 
   Определение средней длины lср одного витка обмотки
   

^lср

 2(h в) d_из

 2( 1  9,9 )  3,14  0 ,03  21 ,7 мм

8. 
   Вычисление длины провода обмотки l_обм
   

^lобм

 l_ср  n  21,7  630  13671 мм

9. 
   Определение минимально допустимого напряжения питания
   

К  ^U ; U k 


 1 63  63 В _.

^д _n д n

10. 
    Вычисление допустимой величины тока I_п, протекающего по обмотке датчика
    

I_п 

jS_пр 

_j d₂

4

_ 63 3,14 0,03²

4

 0 ,0445 A _,

где: j – допустимая плотность тока (j=25…30 А/мм²) для ПД с металлическим каркасом; (j=45…50 А/мм²) для ПД с керамическим каркасом и (j=15…20 А/мм²) для ПД с пластмассовым каркасом металлическим каркасом.

S_пр– площадь поперечного сечения провода обмотки.

11. 
    Определение необходимого сопротивления обмотки ПД,
    

U

I
R_n 

n

_ 63

44,5 10^{ 3}

 1415Ом  1,41 КОм

12. 
    Вычисление необходимого удельного сопротивления обмотки
    

_{ } R_n  S

l_ср  n

_ 1415  0 ,032 _{ 0 , 00 Ом  мм2 / м}

21 ,7  630

13. 
    Выбор материала провода для обмотки
    

Близким удельным сопротивлением к полученному обладает константан с = 0,44 Ом · мм²/м (константен обладает малой зависимостью удельного сопротивления от температуры).

14. 
    Определение действительных значения R_nи j
    

R_n 

4l_ср n 

  d ²

_ 4 21,7 630 10^3

3,14  0 ,00²

 0,44  24060 Ом

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

15. 
    Вычисление абсолютного значения U
    

_{U } _l U

100

_ 11

100

 0 ,63 B.

16. 
    Определение потребного нагрузочного коэффициента
    

_{ } 0 ,5U  U_вых.н

0,25U

_ 63 10^2 0,25 63
 4 

10 ^{ 2} .

16. 
    Вычисление минимально допустимой величины сопротивления нагрузки, которое может быть подсоединено к ПД, чтобы _l= 1%
    

  ^Rn ,


R
R_н


н
R  ⁿ




24060

4 10^{ 2}


 601500Ом  601 КОм

16. 
    Определение поверхности обмотки
    

S_обм  2l( h  в  2d_из )  2  33( 9,9  1  6 ,28  0 ,03 )  731 ,83 мм ²

16. 
    Вычисление действительного значения перегрева обмотки
    

в

установившемся режиме

^ уст ^

_U 2

R_n m c S

обм

_ 33²

24060 10^3 7,31 2,5

3 .

Для алюминиевого каркаса с = 10 ^-3 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; _сртемпература окружающей среды; _об- температура обмотки.

Так как при расчете получено, что _уст< _допникаких поправок в расчет вводить не требуется.

поправок в расчет вводить 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,

Далее выбирают материал движков потенциометров из условия обеспечения надежного, контакта при небольших контактных давлениях (1 г и менее) и малого износа. При разработке конструкции ПД необходимо ознакомиться с конструкциями известных датчиков, которые можно взять за прототип, изучить их достоинства и недостатки с точки зрения надежности и точности работы, технологичности и т.д.

Изучив данную тему, студент должен

• 
  знать отличительные характеристики
  

потенциометрических преобразователей;

• 
  уметь производить расчет потенциометрических преобразователей.
  

-

Для самооценки темы ответить на вопросы

1. 
   Что представляют собой потенциометрические преобразователи?
   

Ответ: Потенциометрический преобразователь - датчик, входным сигналом которого является перемещение контакта, а выходным - напряжение, которое снимается с этого контакта. Представляет из себя катушку индуктивности (как правило, выполненную в виде неподвижного элемента конструкции), на которую подается питающее напряжение и щетки, с которых и снимается выходной сигнал.

2. 
   Какое допускается превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды?
   

Ответ: допускается превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды не более 40 … 50°

3. 
   Из какого материала изготавливается каркас преобразователей?
   

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

Вывод: В ходе лабораторной работы, изучил характеристики потенциометрических преобразователей. Произвел расчет

потенциометрических преобразователей.