Измерительные преобразователи представляют собой технические устройства, которые осуществляют преобразования величин и образуют канал передачи измерительной информации. При описании принципа действия измерительного устройства, включающего последовательный ряд измерительных преобразователей, часто представляют его в виде функциональной блок-схемы (измерительной цепи), на которой отражают функции отдельных его частей в виде символических блоков, связанных между собой.
Основные характеристики измерительного преобразователя — это функция преобразования, чувствительность, погрешность.
Измерительные преобразователи можно условно разбить на три класса: пропорциональные, функциональные и операционные.
Пропорциональные предназначены для подобного воспроизведения входного сигнала в выходном сигнале. Вторые — для вычисления некоторой функции от входного сигнала; третьи — для получения выходного сигнала, являющегося решением некоторого дифференциального уравнения. Операционные преобразователи являются инерционными, так как у них значение выходного сигнала в любой момент времени зависит не только от значения входного в тот же момент времени. Но и от его значений в предшествующие моменты времени.
При проектировании специализированного нестандартного средства измерения следует учитывать существенные организационно-технические формы контроля, масштаб производства, характеристики измеряемых объектов, требуемую точность измерения и другие технико-экономические факторы.
В нашем случае производится проектирование только преобразователя и поэтому частью этих факторов можно пренебречь. Нам важна только требуемая точность измерения заданного параметра. Любая измерительная задача начинается с выбора первичного преобразователя — «датчика», способного преобразовать исходную информацию (любой вид деформации, кинематический параметр движения, температурные изменения и пр.) в сигнал, подлежащий последующему исследованию. Первичный преобразователь является начальным звеном измерительной системы. Преобразователем в данной курсовой работе является индуктивный преобразователь.
1. Общие сведения об измеряемой величине
Сила — векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей. Приложенная к массивному телу сила является причиной изменения его скорости или возникновения в нём деформаций и напряжений.
Измерительные преобразователи
... Измерительные преобразователи Измерительные преобразователи - это средство, преобразующие физическую величину в измерительный сигнал или другую величину, это очень помогает в последующий преобразованиях, в хранение, передаче и обработке. Классификация измерительных преобразователей происходит по характеру входных ...
Сила как векторная величина характеризуется модулем, направлением и точкой приложения силы. Также используется понятие линия действия силы, обозначающее проходящую через точку приложения силы прямую, вдоль которой направлена сила.
За единицу силы в СИ принят ньютон (Н).
Ньютон — это сила, которая придает массе 1 кг в направлении действия этой силы ускорение 1 м/с 2 .
В технических измерениях допускаются единицы силы:
- 1 кгс (килограмм-сила) = 9,81 Н;
- 1 тc (тонна-сила) = 9,81 х 103 Н.
Силу измеряют посредством динамометров, силоизмерительных машин и прессов, а также нагружением при помощи грузов и гирь.
Динамометры — приборы, измеряющие силу упругости.
Динамометры бывают трёх типов:
- ДП — пружинные,
- ДГ — гидравлические,
- ДЭ — электрические.
По способу регистрации измеряемых усилий динамометры подразделяют на:
- указывающие — применяют главным образом для измерений статических усилий, возникающих в конструкциях, установленных на стендах, при приложении к ним внешних сил и для измерения силы тяги при плавном передвижении изделия;
— считающие и пишущие динамометры, регистрирующие переменные усилия, применяют чаще всего при определении силы тяги паровозов и тракторов, так как вследствие сильной тряски и неизбежных рывков при ускорении их движения, а также неравномерности загрузок изделия создаются переменные усилия.
Наибольшее распространение имеют динамометры общего назначения пружинные, указывающие.
Основные параметры и размеры динамометров общего назначения, пружинных со шкальным отсчётным устройством, предназначенных для измерений статических растягивающих усилий, устанавливает ГОСТ 13837.
Пределы измерений и погрешность динамометра должны определяться одним из двух способов:
- расчётным,
- по таблицам ОСТ 1 00380.
Рабочие средства измерений, применяемые в силоизмерительных системах, приведены в ОСТ 1 00380.
Существуют различные виды сил: гравитационные, электромагнитные, реактивные, ядерные, слабого взаимодействия, сила инерции, сила трения и другие. Силы необходимо измерять в широком диапазоне — от 10 -12 Н (Ван-дер — Ваальсовы силы) до 10Н (силы удара, тяги).
С малыми силами имеют дело при научных исследованиях, при испытании точных датчиков силы в системах управления и др. Силы от 1Н до 1МН характерны для испытательной техники и при определении усилий в транспортных средствах, прокатных станках и другое. В некоторых областях машиностроения, сталепрокатной и аэрокосмической технике необходимо измерять силы до 50-100 МН. Погрешности измерений силы и моментов при технических измерениях составляют 1—2%. К измерению силы сводится измерение таких физических величин, как давление, ускорение, масса, погрешность измерения которых во многих случаях не должна превышать 0,001%.
2. Обзор методов измеряемой величины
В современной технике широко применяются измерения неэлектрических величин (температуры, давления, усилий и пр.) электрическими методами. В большинстве случаев такие измерения сводятся к тому, что неэлектрическая величина преобразуется в зависимую от нее электрическую величину (например, сопротивление, ток, напряжение, индуктивность, емкость и пр.), измеряя которую, получают возможность определить искомую неэлектрическую величину.
Датчики измерения скорости
... Предлагаемое изобретение датчика скорости автомобиля (ДСА) относится к автомобильному электронному приборостроению и может быть непосредственно использовано как для измерения линейной скорости автомобиля, так и для измерения угловой скорости (частоты вращения) ...
Устройство, осуществляющее преобразование неэлектрической величины в электрическую, называется датчиком. Датчики делятся на две основные группы: параметрические и генераторные. В параметрических датчиках неэлектрическая величина вызывает изменение какого-либо электрического или магнитного параметра: сопротивления, индуктивности, емкости, магнитной проницаемости и пр. В зависимости от принципа действия эти датчики подразделяются на датчики сопротивления, индуктивные, емкостные и др.
Устройства для измерения различных неэлектрических величин электрическими методами широко применяют на э.п.с. и тепловозах. Такие устройства состоят из датчиков, какого-либо электроизмерительного прибора (гальванометра, милливольтметра, миллиамперметра, логометра и т.д.) и промежуточного звена, которое может включать в себя электрический мост, усилитель, выпрямитель, стабилизатор и др.
Изменение силы методом уравновешивания
Метод основан на уравновешивании измеряемой силы силой, создаваемой обратным электромеханическим преобразователем, чаще всего магнитоэлектрическим, а также силой реакции, возникающей в динамической системе. К таким силам относятся центростремительная сила, сила инерции при колебательном движении, гироскопический момент.
Перспективным способом создания высокоточных средств измерений больших сил (от 105Н и более) является применение электродинамических обратных преобразователей силы со сверхпроводящими обмотками, которые позволяют воспроизводить силы до 107-108Н с погрешностью 0,02-0,05%.
Гироскопический метод измерения сил основан на измерении угловой скорости прецессии рамки гироскопа, возникающей под воздействием гироскопического момента, уравновешивающего измеряемый момент или момент, создаваемый измеряемой силой. Этот метод нашел применение в весоизмерительной технике.
Сила реакции однозначно определяется геометрией системы, массами клиньев и частотой их вращения. Таким образом, при неизменных параметрах измерительного устройства измеряемая сила Fx определяется по частоте вращения двигателя.
Силовой метод
Основан на зависимости силы или момента сил, развиваемых неупругим или упругим чувствительным элементом, от приложенного давления. По этому методу строятся две разновидности приборов и датчиков давления:
- силовые датчики прямого преобразования, в которых развиваемая чувствительным элементом сила преобразуется с помощью электрического преобразователя в электрическую величину
— приборы и датчики с силовой компенсацией, в которых сила, развиваемая чувствительным элементом, уравновешивается силой, создаваемой компенсирующим элементом. В зависимости от типа компенсирующего устройства выходным сигналом может служить сила тока, линейное или угловое перемещение.
Измерение силы, механических напряжений
Датчики силы можно разделить на два класса: количественные и качественные.
Количественные датчики измеряют силу и представляют ее значение в электрических единицах. Примерами таких датчиков являются динамометрические элементы и тензодатчики.
Качественные датчики — это пороговые устройства, чья функция заключается не в количественном определении значения силы, а в детектировании превышения заданного уровня приложенной силы. То есть, в первом случае речь идет об измерении, а во втором случае — о контроле силы или механических напряжений. Примерами таких устройств являются, например, тензодатчики и клавиатура компьютера. Качественные датчики часто используют для детектирования движения и положения объектов.
Вторичные измерительные преобразователи и АЦП
... влияния измерительных каналов. Вторичные преобразователи для параметрических датчиков могут быть генераторного типа, когда датчик ... нельзя увеличивать неограниченно. В силу малых размеров датчиков даже при небольших ... погрешность ВИП. Поэтому к стабильности питающего напряжения предъявляются весьма жесткие требования. При использовании мостов переменного тока в каждый вторичный преобразователь ...
Методы измерения силы можно разделить на следующие группы:
- уравновешивание неизвестной силы силой тяжести тела известной массы;
- измерение ускорения тела известной массы, к которому приложено усилие;
- уравновешивание неизвестной силы электромагнитным усилием;
- преобразование силы в давление жидкости и измерение этого давления;
- измерение деформации упругого элемента системы, вызванной неизвестной силой.
В большинстве датчиков не происходит прямого преобразования силы в электрический сигнал. Для этого обычно требуется несколько промежуточных этапов. Поэтому, как правило, датчики силы являются составными устройствами. Например, датчик силы часто представляет собой комбинацию преобразователя силы в перемещение и детектора положения (перемещения).
Принципы построения весов сводятся к измерению силы. Приложенная сила воздействует на первичный преобразователь (датчик), состоящий из упругого элемента и преобразователя деформации, механически связанного с упругим элементом и преобразующим эту деформацию в электрический сигнал.
В настоящее время в весовой технике нашли применение следующие типы преобразователей:
1. Реостатные преобразователи. Работа их основана на изменении сопротивления реостата, движок которого перемещается под воздействием силы.
2. Проволочные преобразователи (тензосопротивления).
Работа их основана на изменении сопротивления проволоки при ее деформации.
4. Индуктивные преобразователи. Изменение индуктивности преобразователя от изменения положения одной из его частей под действием измеряемой величины. используется для измерения силы, давления, линейного перемещения детали.
5. Емкостные преобразователи. Изменение емкости преобразователя под действием измеряемой неэлектрической величины: силы, давления линейного или углового перемещения, содержания влаги и т.д.
Генераторные преобразователи по принципу работы делятся на группы:
1. Индукционные преобразователи. Работа их основана на преобразовании измеряемой неэлектрической величины, например скорости, линейных или угловых перемещений, в индуктированную э.д.с.
3. Пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрический эффект, т.е. возникновение э.д.с. в некоторых кристаллах под действием механических сил, используется для измерения этих сил, давления и других величин.
3. Описание индуктивного преобразователя
В технических и научных измерениях неэлектрических величин широко используются индуктивные преобразователи, относящиеся к группе параметрических датчиков. Они отличаются конструктивной простотой, надежностью и малой стоимостью. К тому же для своей работы они не требуют сложного вторичного оборудования.
Индуктивный преобразователь представляет собой дроссель, индуктивность которого изменяется под действием входной (измеряемой) величины. В измерительной технике используются конструкции преобразователя с переменным воздушным зазором и соленоидные (или плунжерные) преобразователи, которые и изучаются в данной работе.
Индуктивный преобразователь с переменным воздушным зазором схематически показан на рис. 1. Он состоит из П-образного магнитопровода 1, на котором размещена катушка 2, и подвижного якоря 3. При перемещении якоря изменяется длина воздушного зазора и, следовательно, магнитное сопротивление. Это вызывает изменение магнитного сопротивления и индуктивности преобразователя L. При некоторых допущениях индуктивность преобразователя можно рассчитать по формуле (1):
- Рис. 1. Конструкция индуктивного преобразователя с переменным воздушным зазором (1- П-образный магнитопровод, 2- катушка, 3- якорь): а) одинарный преобразователь; б) дифференциальный преобразователь
где w — число витков катушки, µ о = 4 107 Гн/м — магнитная постоянная, µ — магнитная постоянная стали, — площадь сечения магнитного потока в воздушном зазоре, — средняя длина магнитной силовой линии по стали.
Одинарные индуктивные преобразователи имеют ряд недостатков, в частности их функция преобразования нелинейная, они могут иметь большую аддитивную погрешность, вызванную температурным изменением активного сопротивления обмотки, и ряд других.
Этих недостатков лишены дифференциальные преобразователи, которые представляют собой два одинарных преобразователя, имеющих общий якорь. На рис. 1б показан дифференциальный индуктивный преобразователь, состоящий из двух преобразователей, показанных на рис. 1а.
При перемещении якоря, например, влево, индуктивность L, возрастает, а другая индуктивность L2 уменьшается.
Рис. 2. Конструкция индуктивного плунжерного преобразователя (1 — катушка, 2 — плунжер): а) одинарный преобразователь; б) дифференциальный преобразователь
Другой разновидностью индуктивных преобразователей являются плунжерные преобразователи. На рис. 2а показан одинарный плунжерный преобразователь, который представляет собой катушку 1, из которой может выдвигаться ферримагнитный сердечник 2 (плунжер).
При среднем положении плунжера индуктивность максимальна.
Дифференциальный преобразователь, состоящий из двух одинарных преобразователей плунжерного типа, схематически изображен на рис. 2б. 3десь также при перемещении плунжера одна индуктивность уменьшается, а другая увеличивается.
При использовании индуктивных преобразователей в качестве выходной величины обычно используется не индуктивность как таковая, а реактивное сопротивление преобразователя Z, которое, если пренебречь активной составляющей, равно Z = jwL.
3.1 Погрешности индуктивных преобразователей
Погрешности индуктивных преобразователей в основном обусловлены изменением активной составляющей их сопротивлений. Эта погрешность аддитивна и уменьшается в случае применения мостовых схем. Кроме того, при изменении температуры изменяется магнитная проницаемость стали, что приводит к дополнительному изменению аддитивной и мультипликативной погрешностей. Изменения напряжения питания и его частоты также служат причиной изменения чувствительности и появления мультипликативных погрешностей.
Среди погрешностей индуктивных датчиков можно выделить следующие:
1.1) Погрешность, обусловленная температурным режимом. Эта погрешность относится к случайным и должна подлежать оценке перед тем, как датчик начнёт работать. Погрешность происходит из-за того, что определённые параметры составных частей датчика зависят от температуры и при довольно сильном отклонении от нормы в ту или иную сторону, погрешность может быть весьма внушительной.
1.2) Погрешность, обусловленная действием силы притяжения якоря
1.3) Погрешность линейности функции преобразования
При работе индуктивных преобразователей в мостовых схемах возникает погрешность обусловленная нестабильностью напряжения и частоты питания моста, а также изменением формы кривой питающего напряжения. Для улучшения свойств индуктивных ИП используются дифференциальные преобразователи (их конструкция указана на рис. 1б) Дифференциальные преобразователи позволяют существенно уменьшить погрешности, повысить чувствительность и увеличить линейный участок характеристики.
3.2 Измерительные цепи индуктивных преобразователей
Мосты для измерения индуктивности и добротности катушек индуктивности. Катушка индуктивности, параметры которой измеряются, включается в одно из плеч четырехплечего моста, например в первое плечо:
Чтобы мост можно было уравновесить, по крайней мере, одно из оставшихся плеч должно содержать реактивность в виде индуктивности или емкости.
Предпочтение отдают емкости, т.к. катушки индуктивности по точности изготовления уступают конденсаторам, а стоят значительно дороже. Схема такого моста показана на рис. 3
Рис. 3. Мост для измерения параметров катушек индуктивности
При равновесии моста, согласно общему уравнению равновесия, справедливо. Приравняв отдельно действительные и мнимые части, получим два условия равновесия:
- Уравновешивается такой мост регулировкой и. Значение пропорционально индуктивности, а — добротности измеряемой катушки. Недостаток рассмотренной схемы — плохая сходимость моста при измерении параметров катушек с низкой добротностью. Если Q = 1, процесс уравновешивания уже затруднен, а при Q <
- 0,5 уравновешивание моста практически невозможно.
измерительный сила индуктивный преобразователь
4. Расчет основных параметров преобразователя
Требуется разработать датчик, для которого даны следующие характеристики средства измерений:
- Измеряемая величина: сила;
- Значение измеряемого параметра: 70-120 кН;
Погрешность измерения: 0,25%
Вид выходного сигнала: электрический сигнал
Преобразователь: индуктивный
Для нашей курсовой работы выбираем индуктивный преобразователь одинарный с переменным воздушным зазором, так как для него характерны измерения в пределах от 0,01 до 10 мм, что позволяет выполнить измерение заданного параметра.
Изобразим структурную схему данного устройства на рисунке 4. Выходной сигнал получаем в виде переменного напряжения, снимаемого с сопротивления нагрузки R Н включенного в цепь помещенной на сердечнике 1 обмотки 2. Питание осуществляется переменным напряжением U. Под действием входного сигнала перемещается якорь 3 и изменяет зазор:
Рис. 4 — Одинарный индуктивный преобразователь с переменным воздушным зазором
Рассчитаем основные параметры каркаса разрабатываемого датчика:
- Материал — сплав прецизионный 55 ВТЮ;
- Коэффициент Пуассона — 0,295;
- Модуль упругости — 11 * Н/ = 1,1209 * кгс/;
- Пусть радиус мембраны;
- = 24,77 МПа = 2,43 кгс;
- = 42,46 МПа = 4,17 кгс.
Рассчитаем толщину мембраны по формуле (2)
h = (2)
h = 0,0408 см;
По формуле (3) определим минимальный и максимальный прогиб мембраны
Р = (3)
Р = 0,044 см;
- Р = 0,076 см;
- По формуле (4) рассчитаем индуктивность при максимальном прогибе мембраны.
L = (4)
Где
- площадь сечения воздушного зазора;
- магнитная проницаемость воздуха;
- переменная площадь воздушного зазора.
Полученные данные представим в таблице 1 и отобразим на графике зависимость (Р) (рисунок 5) и зависимость L(Р) (рисунок 6):
Таблица 1
Расчет индуктивного преобразователя
|
F* Н |
70 |
75 |
80 |
85 |
90 |
95 |
100 |
105 |
110 |
115 |
120 |
|
|
?Р, кгс |
2,43 |
2,6 |
2,78 |
2,95 |
3,12 |
3,3 |
3,47 |
3,65 |
3,82 |
3,99 |
4,17 |
|
|
(Р), см |
0,044 |
0,047 |
0,051 |
0,054 |
0,057 |
0,06 |
0,063 |
0,066 |
0,07 |
0,073 |
0,076 |
|
|
L(Р), мГн |
10,42 |
9,76 |
8,91 |
8,49 |
8,04 |
7,64 |
7,28 |
6,95 |
5,55 |
6,28 |
6,034 |
|
Рис. 5 — Зависимость (Р)
Рис. 6 — Зависимость L(Р)
5. Расчет мостовой схемы
Мост Максвелла — Вина изображен на рисунке (3)
Примем = 800 Ом;
- Вычислим при минимальном и максимальном значении индуктивности.
6. Определение погрешности индуктивного преобразователя
Информативная способность индуктивного датчика в значительной мере определяется его погрешностью преобразования измеряемого параметра. Суммарная погрешность индуктивного датчика складывается из большого числа составляющих погрешностей, таких как погрешность от нелинейности характеристики, температурная погрешность, погрешность от влияния внешних электромагнитных полей, погрешность от магнитоупругого эффекта, погрешность от соединительного кабеля и другие.
Для того, чтобы рассчитать погрешность всего устройства необходимо воспользоваться формулой (5)
По справочным данным погрешность амперметра составляет 0,1%, погрешность моста равняется 0,02%.
0,25 — (0,02 + 0,1) = 0,13%;
Погрешность индуктивного датчика определяется по формуле (1):
К = (6)
Найдем необходимые переменные.
= 0,065*24,77=1,61 МПа;
- ? 0,065;
- = 0,0028 см;
- = 169,982 мГн.
Подставляем полученные данные в выражение (6) и находим погрешность индуктивного датчика:
К = 0,23%.
Сравним полученную погрешность с заданной
0,23% < 0,25%
Таким образом, полученная погрешность не больше заданной, поэтому делаем вывод о том, что разработанная система удовлетворяет поставленным требованиям.
Заключение
Курсовая работа была посвящена разработке метода для измерения силы с помощью индуктивного преобразователя, отвечающего требованиям технического задания. В ходе проектирования были изучены разнообразные методы измерения силы, на основе которых разрабатывался полученный метод измерения данного параметра.
Был выполнен обзор методов измерения силы, выбран соответствующий метод в измеряемом диапазоне, рассчитаны основные параметры преобразователя, рассчитана погрешность полученного метода измерения силы.
Таким образом, в процессе выполнения курсовой работы были выполнены все пункты технического задания и разработан метод измерения соответствующего параметра, отвечающего предъявленным к нему требованиям.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/izmerenie-sil/
1. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерения: Пер. с анг. М.: Мир, 1990. — 535 с.
2. Бриндли К.Д. Измерительные преобразователи. М.: Электр, 1991. — 353 с.
3. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1987. — 320 с.
4. Левшина Е.С. Электрические измерения физических величин. М.: Мир, 1983 — 105 с.
