ВВЕДЕНИЕ.
Любая автоматизация предполагаетуправление технологическими процессами на основе сбора, обработки и накопленияинформации. Поэтому неотъемлемую часть автоматических устройств и автоматизированныхсистем управления (АСУ) составляют средства измерения. Применение АСУпроцессами требует измерять в общей сложности около 2000 физических, химическихи других величин. Измерения производят с помощью разнообразных датчиков,выполняющих функцию первичного элемента, который воспринимает информацию отобъекта и преобразует ее для передачи в канал связи на вычислитель. Еслидатчики будут обладать недостаточным быстродействием, большой погрешностью,низкой надежностью, то и вся система вне зависимости от степени совершенствавычислительных устройств будет работать неудовлетворительно. Именно датчикиопределяют саму возможность и качественный уровень работы автоматических линий.Это — изначальные поставщики информации, их погрешность не может бытьскорректирована никакими последующими устройствами.
1. РАЗРАБОТКАТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.
1.1 Разработать датчик предназначенныйдля измерения сил, развиваемых энергетическими установками и агрегатами, ивыдаче сигнала, пропорционального силе на вход телеметрической системы.
1.2 Пределы измерения сил Fном должны соответствовать значениям: Fном=(1,2,5,10,20) 102 Н
Частотный диапазон измерения датчика />f=50 Гц
Основная погрешность составляет />=0,5%
Измерительная схема датчика силыравноплечий мост с сопротивлением плеча 700/>10Ом.
Датчик запитывается от источникапостоянного тока напряжением 15В
Величина питающего напряжения впроцессе измерения может меняться не более чем на 0,05В.
1.3 Датчик должен работать в окружающейсреде — воздух. Температура окружающей среды может меняться в пределах />500С
Относительная влажность окружающейсреды до 95% при температуре +350С
Датчик должен быть работоспособенпри:
· Вибрации счастотой fгр=5кГц и амплитудой А=0,5мм
· Воздействиеударов с амплитудой 50g идлительностью до 0,001с
· Воздействиеперегрузки должно быть до 20% от предела измерения
· Воздействиебоковой перегрузки до 15% от предела измерения.
1.4 Требования к надежности.
Время непрерывной работы датчикадолжно быть не менее 2 часов.
Технический ресурс датчика долженбыть не менее 1000 часов.
Вероятность безотказной работыдатчика не менее 0,9
1.5 Возможность хранения датчика вскладских условиях не менее 10 лет.
1.6 Датчик должен иметь минимальныегабаритные размеры и массу.
1.7 Обеспечение заданного пределаизмерения должно осуществляться в пределах единого конструктивного оформлениядатчика с максимально возможной унификацией деталей и размеров.
2. АНАЛИЗТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ.
Требования технического заданиянакладывают определенные ограничения на конструкцию, параметры и методы расчетаразрабатываемого датчика. Так требования работоспособности датчика при воздействиивибрации предопределяет либо проектирование датчика с высокой собственнойчастотой, лежащей за пределами частотного диапазона вибрации, либо введениядемпфирования, либо какие-то другие меры, обеспечивающие во-первых, неизменностьпоказаний датчика, а во-вторых его механическую прочность. Это же можно сказатьи о линейных перегрузках. При воздействии на датчик температур изменяющихся вдостаточно широких пределах (/>500С),происходит изменение геометрических размеров и упругих свойств механическихэлементов. В результате изменяется чувствительность датчика к измеряемой величинеи появляется погрешность преобразования. Исключить влияние температуры напреобразование можно увеличением чувствительности к измеряемой величине иуменьшением чувствительности к дестабилизирующему фактору, каким являетсятемпература, применением дифференциальных преобразователей, либо включением в измерительнуюцепь специальных термокомпенсирующих элементов. Работа при взаимодействииповышенной влажности предопределяет конструирование датчика с герметичнымкорпусом, выбор соответствующих материалов и покрытий.
По техническим требованиям основнаяпогрешность изменения датчика не должна превышать 0,5%. Она зависит от рядафакторов, которые влияют на физические свойства и параметры отдельных звеньев цепипреобразования измеряемой величины. К ним относятся вибрации, температура,напряжение питания. Для уменьшения погрешности от напряжения питания следуетприменять стабилизированные источники питания. Составляющими основнойпогрешности также являются погрешность от нелинейности и гистерезиса. Эффективнымимерами уменьшения этих погрешностей являются применение дифференциальных преобразователей,ограничение рабочего диапазона, правильный выбор материала упругого элемента, материалаи конструкции тензорезисторов, технологии их изготовления.
Предел измерения силы Fном должен соответствовать Fном=(1,2,5,10,20) 102 Н, чтоговорит о высокой точности датчика.
3. ОБЗОРМЕТОДОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИЛЫ.
Для измерения силы используют многометодов: индуктивный, струнный, тензорезисторный.
У струнных датчиков выходной сигнал — частота. Это выгодно с частотными сигналами. Они обеспечивают высокую точностьотсчета и независимость показаний линии связи, но эти датчики не могут бытьвыполнены на низкие диапазоны измерения, на широкий диапазон вибрационныхнагрузок, не могут работать в широком температурном диапазоне. Струнные датчикисложны и дороги в изготовлении.
Индукционные датчики просты, дешевы,технологичны, но обладают низкими точностными свойствами.
Тензорезисторные датчики благодарясвоим преимуществам получили широкое применение (до 98% от числа всехдатчиков). Они просты, надежны, могут питаться как от постоянного, так ипеременного источника питания. Обеспечивают широкий диапазон работы ипрактически не снижают жесткости конструкции системы. Недостатком этих датчиковявляется низкая величина выходного сигнала, недостаточно высокая точностьпреобразования и специфическая технология.
В нашем случае выбираем в качествеметода преобразования силы тензорезисторный метод.
4. ОБЗОР ДАТЧИКОВСИЛЫ.
Большое распространение для измерениясилы получили тензорезисторные датчики, структурная схема которых представляетпоследовательное соединение трех измерительных преобразователей:
/>/>/>/>
ИЦ
ТР
УЭ
Где УЭ упругий элемент, ТРтензорезистор, ИЦ измерительная цепь. Измеряемая сила Fx прикладывается к УЭ так, что он деформируется на величину Е1.Деформация УЭ воспринимается установленным на него тензористорами, которыеизменяют свое сопротивление на величину ЕR относительных единиц. Относительное изменениесопротивления тензорезистора измерительной цепью преобразуется в величинувыходного сигнала Uвых. В тензорезисторных датчиках силыполучили распространение две измерительные цепи: неравновесный мост и делительнапряжения, который применяется в тех случаях, когда ограничены габаритыдатчика или если требуется измерять только динамическую составляющую.
На конструкцию датчика силы, егохарактеристики существенно влияет конструкция упругого элемента. В зависимостиот этого датчики силы можно подразделить на датчики со стержневым, кольцевым,мембранным, балочным, упругим элементом.
Датчик со стержневым упругимэлементом состоит из цилиндрического упругого элемента на наружной поверхностикоторого установлены тензорезисторы и компенсационные сопротивления, силовой ивспомогательной подушек, монтажной колодки, кожуха и разъема. Упругий элементимеет хвостовик предназначенный для крепления датчика на объекте измерения. Нанижней части упругого элемента предусмотрена выточка для крепления кожуха иплощадка для установки разъема. Силовая и вспомогательные подушки контактируютмежду собой по сферической поверхности. Измеряемая сила прикладывается к силовойподушке и передается через сферический контакт вспомогательной подушке иупругому элементу, деформирующемуся под действием этой силы. Упругий элемент взависимости от предела измерения силы может быть выполнен и в виде сплошногостержня.
В конструкции датчика силы скольцевым упругим элементом вместо стержня установлено кольцо с двумя жесткимиучастками вдоль вертикального диаметра, т.е. вдоль направления действия силы.Тензорезисторы приклеены на внутренней и наружной поверхности кольца, на линиигоризонтального диаметра.
Датчик силы с мембранным упругимэлементом. Измеряемая сила прикладывается к силовой подушке, удерживаемой междукрышкой и жестким центром мембраны, пружиной. В результате действия силымембранный УЭ деформируется. Радиальные деформации мембраны воспринимаютсянаклеенными на нее тензорезисторами, собранными в мостовую ИЦ, вход и выходкоторой выведены на разъем. Резьбовой хвостовик предназначен для крепления датчикана объекте.
Датчик силы с балочным УЭ. Основнымузлом этого датчика является чувствительный элемент выполненный в виде балкиравного сечения, с жестко заделанным одним концом, с наклеенными на верхнюю инижнюю части ее, тензорезисторами. Измеряемая сила прикладывается к штоку,закрепленному на втором конце балки.
5. ВЫБОРТЕНЗОРЕЗИСТОРА.
По таблице 2.1[1] стр.25 выбираем проволочныйтензорезистор типа КБ, со следующими данными:
· Предельнаяизмеряемая деформация Е=0,005
· Коэффициенттензочувствительности S=1,9/>2,25
· Температурнаямультипликативная погрешность γt=-3,0%
· Ползучесть П=1,5%
· Номинальноесопротивление R=100/>400Ом
· Разброссопротивления в группе ΔR=0,1%
· Размеры: база — 20 мм
Длина — 30 мм
Ширина — 6 мм/> /> /> /> /> /> /> />
6. ВЫБОР ИРАСЧЕТ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.
В датчике силы практически всегдаиспользуется мостовая измерительная цепь с 4 рабочими плечами. Ее видпредставлен на рис.3.2 [1]стр.37, тут же приведен ее расчет.
7. ВЫБОР ИРАСЧЕТ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА.
7.1 Выбор конструктивной схемы УЭ исхемы установки тензорезисторов.
С помощью УЭ усилие F преобразуется в деформацию. Втензоризисторных датчиках наибольшее распространение получили такие формыупругого элемента, как кольцо, стержень, мембрана, балка. Эти УЭ обладаютразными чувствительностью и быстродействием.
Наиболее удачно вопросы закрепленияконцов УЭ (стабилизации точки) решены в конструкции УЭ в виде кольца. Задача жеполучения одинаковых по величине деформаций разных знаков может быть обеспеченагеометрией жестких участков.
При выборе схем установкитензорезисторов необходимо руководствоваться знаниями о зонах деформации. Зоныдеформации вблизи вертикального диаметра характеризуются повышенной чувствительностью,однако распределение напряжений в этих зонах неравномерно, а зоны на наружнойповерхности мало приспособлены для установки на них тензорезисторов из-законструктивных недостатков. Кроме того, относительная длина этих зон меньше зонгоризонтального диаметра. Зоны вблизи горизонтального диаметра обеспечиваютменьшую чувствительность (почти в 2 раза), но зато в этих зона более равномернораспределена деформация, относительная длина их в 1,5 раза больше зонвертикального диаметра. Зоны горизонтального диаметра конструктивно итехнологично очень доступны для установки на них тензорезисторов. Исходя извыше сказанного, для установки тензорезисторов выбираем зоны горизонтальногодиаметра, а недостаток чувствительности обеспечим другими средствами.
7.2 Выбор наружного радиуса.
Для расчета диметра кольцевогоупругого элемента используется теория расчета тонких колец малой кривизны [1 стр. 52].
Величина вертикального жесткогоучастка упругого элемента характеризуется углом 900-l2. Зависимость этого угла от l1 показана на рис.3.5 [1 стр.54].кривая 3 представляет зависимость между углами жесткого участка, при которыхперемещения по вертикальной и горизонтальной осям одинаковы, т.е. формируемусловия одинаковой работы тензорезисторов растяжения и сжатия. Изконструктивных соображений заделки опор и укрепления подушки выбираемминимальный угол 900-l2=150, отсюда l2=750, тогда в соответствии с кривой 3 l1=12,50.
7.3 Выбор ширины кольца.
Ширину кольца примем равную 10 мм,т.к. ширина тензорезистора 8 мм.
7.4 Выбор материала упругогоэлемента.
Материал упругого элемента — сталь36НХТЮ (Е=2,1 1011 Па). Это высококачественная сталь, имеет хорошиеупругие характеристики и очень часто применяется для изготовления упругихэлементов.
7.5 Расчет внутреннего диаметра.
Из формулы:/> />, выразим rb
h=rн-rb подставим в формулу. Вε=0,6 — конструктивныйкоэффициент чувствительности [4 стр.44 рис. 2.6].
/>,
/>
2εl bE (rn2-2rnrb+rb2)=BεrnF+Bεrb F
2εl bErn2-4εl bErnrb+2εl bE rb2 — BεrnF+BεrbF=0
для удобства расчета подставимзначения:
2*0,682*10-3*8*2,1*1011*202-4*0,682*10-3*8*2,1*1011*20rb+2*0,682*10-3*8*2,1*1011 rb2-0,6*20F+0.6*rbF=0
2.29*109rb2+(0.6F-9.167*1010)rb+9.167*1011*12F=0
/>
так например для F=100 Н
rb100≈18.79
результаты остальных значенийзанесены в таблицу 1.
7.6 Расчет толщины упругого элемента
h=rn-rb
так например для F=100 Н
h100=20-18,79=1,21
результаты остальных значений сведеныв таблицу 1.
Таблица 1.F, Н
rn, мм
rb, мм h, мм
zo, мм
f0, кГц
γl 100 20 18,79 1,21 13,05 5,12
9,44*10-5 200 20 18,02 1,98 18,71 6,55
5,77*10-5 500 20 17,53 2,47 18,14 9,15
2,96*10-5 1000 20 16,93 3,07 17,61 11,90
1,75*10-5 2000 20 15,54 4,46 16,99 15,52
1,03*10-5
Как видно из таблицы 1 наименьшаятолщина упругого элемента составляет 2,91 мм, что технологически выполнимо, анаибольшая 7,02 мм, что приводит к несколько завышенному отношению h/zo. Это свидетельствует о повышеннойпогрешности расчета, но на работоспособность и его характеристики такая погрешностьне влияет. Поэтому данные расчета принимаются.
8. РАСЧЕТЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА ДАТЧИКА.
Частотный диапазон работы датчикаполностью определяется его собственной частотой. Чем выше частота, тем ширечастотный диапазон работы датчика работы датчика и тем меньше влияние вибрацииускорения на его работоспособность. В разрабатываемом датчике можно считать,что жесткость в основном определяется жесткостью УЭ, и собственная частотадатчика равняется собственной частоте УЭ.
Для кольца согласно [1 стр.58] при малых массах: />, где
h- толщина кольца
ρ-плотность материала УЭ
Е- модуль упругости материала УЭ
Для этого датчика при заданномчастотном диапазоне работы будет наибольшая амплитудно-частотная погрешность,т.к. в датчик не предполагается вводить дополнительное демпфирование, а степеньуспокоения обусловленная внутренним трением в УЭ мала то для расчетавоспользуемся формулой:/> [1 стр.58], где β — степень успокоения, ∆f — частота частотного диапазонаизмерения.
9. КОНСТРУИРОВАНИЕДАТЧИКА.
9.1 Конструирование упругого элемента.
От конструирования упругого элементазависит конструкция датчика. Поэтому конструирование датчика начнем сконструирования УЭ. Ранее был рассчитан УЭ и получены его размеры, которые позволяютопределиться с конструкцией упругого элемента.
С целью унификации ранее задались dн=const=41,т.к. он является наиболее трудным для изготовления. В местах сочлененияповерхностей могут возникнуть большие термические напряжения, способные вызватьтрещины при термообработке УЭ. Поэтому соединим наружную поверхность иповерхность жестких участков плавным радиусом (радиусом сопряжения), примем егоравным 2 мм.
Жесткие участки необходимы дляпередачи силы УЭ и для закрепления на объекте. Поскольку датчик должен измерятьсилы сжатия и растяжения, то такие датчики проектируются с различным ходом, которыевворачиваются в сило воспринимающую часть УЭ, поэтому верхний жесткий участокдолжен иметь резьбовое отверстие. С целью унификации выполним и в нижнемучастке такое же резьбовое отверстие. Диаметр этого отверстия должен быть минимальным,но обеспечивать прочностные свойства.
Максимальная номинальная сила дляразрабатываемого датчика равна F=2кН. Поскольку в техническом задании задана величина перегрузки 20%, томаксимальная сила должна составлять 2,4 кН.
Диаметр отверстий может быть найдениз приближенной формулы для получения обеспечения напряжения на срез: G=F/S, где S — площадь S=πdtW, W — число витков,
t — шаг
Для защиты УЭ от внешнего воздействиянеобходимо защитить его закрытым корпусом. Для крепления корпуса игерметизирующей мембраны необходимо предусмотреть 4 резьбовых отверстия.
10.2 Конструирование датчика.
Важной деталью корпуса датчикаявляется основание, которое крепиться с помощью винтов к УЭ. Это основаниецелесообразно использовать для крепления электрического разъема. Посколькудатчик должен крепиться к объекту измерения с помощью винтового соединения, тов основании должно быть отверстие.
Для обеспечения герметичностисоединения основания с УЭ устанавливается герметизирующая прокладка, креплениеее к поверхности верхнего участка осуществляется с помощью прижимного кольца.
Корпус датчика выполняетсятонкостенным, позволяющим произвести сварку с буртом основания и наружнымконтуром мембраны.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В данном курсовом проекте былразработан датчик предназначенный для измерения сил, развиваемыхэнергетическими установками и агрегатами и выдачи сигнала пропорциональногосиле на вход телеметрической системы. Предел измеряемых сил соответствует значениямтехнического задания. Частотный диапазон так же соответствует данным техническогозадания. Датчик имеет минимально возможные габаритные размеры и массу.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Тихонов А.И.,Осадчий Е.П. «Проектирование устройств автоматики и телемеханики»
2. Тихонов А.И.,Осадчий Е.П., Карпов В.И., Чернецов К.Н., Спиридонов В.М. «Проектированиетехнических средств автоматики и телемеханики. Датчики механических величин».
3. Новичихина Л.И.«Справочник по техническому черчению».
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА «АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПО КУРСУ: «ПРЕКТИРОВАНИЕ ДАТЧИКОВ»
на тему: «Разработка датчика силы»
Выполнил: студент группы 96 ЗАС 1
Атаев А.С.
Принял: Тихонов А.И.
Пенза
2000 г.