Проектирование манометра с дистанционной передачей

ФИЛИАЛ МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ АКАДЕМИИ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

В Г. УГЛИЧ

Кафедра «Приборы точной механики»

по дисциплине

«Теория, расчет и проектирование измерительных приборов»

на тему : «Расчет и проектирование электрического манометра с дистанционной передачей»

г. Углич 2000 г.

Электрические дистанционные манометры предназначены для выдачи визуальной информации об измеряемой давлении на некотором расстоянии от места, в котором производится измерения В комплект прибора обычно входят датчик и указатель, соединенные между собой электрической линией связи.

II.ЗАДАЧИ РАСЧЕТА.

В задачи проектирования и расчета входят определения размеров конструктивных параметров прибора, электрических параметров измерительной схемы, а также электрических и механических параметров датчика указателя. Необходимо произвести расчет статических и динамических характеристик и чувствительности измерительного преобразователя и прибора в целом. Кроме того следует рассчитать и построить шкалу прибора, определить динамические характеристики преобразователя в целом, рассчитать его погрешности и надежность.

III. Содержание расчетно-пояснительной записки

ВВЕДЕНИЕ

В электрических манометрах в качестве чувствительных элементов применяются гофрированные мембраны, мембранные коробки, манометрические трубки и сильфоны.

Для преобразования деформации упругих элементов в электрический сигнал применяются либо омический (потенциометрический) преобразователь, либо индуктивный преобразователь, преобразующий перемещение чувствительного элемента в электрический сигнал, удобный для дистанционной передачи. В измерительных схемах осуществляется также компенсация температурных погрешностей прибора.

В качестве указателей в манометрах обычно применятся логометры с подвижным магнитом.

В соответствии с [2, стр. 173] и рис. 1, выбираем манометр серии ЭДМУ.

Рисунок 1. Схема электромеханического дистанционного манометра с двух рамочным магнитоэлектрическим логометром.

Функциональная схема прибора представлена на рис. 2.

Рисунок 2. Функциональная схема.

Звено 1 – мембранная коробка, преобразующая давление P в перемещение  жесткого центра коробки, =f1(P).

Звено 2 – передаточно-множительный механизм, преобразующий перемещение центра мембранной коробки  в перемещение движка потенциометра , Y=f2().

Звено 3 – потенциометр, преобразующий перемещение щетки потенциометра Y в изменение отношения сопротивлений ,

.

Звено 4 – электрическая схема, которая преобразует отношения сопротивлений потенциометра в изменение отношения токов в рамках логометра,

.

Звено 5 – логометр, преобразующий изменения соотношений токов в угловое перемещение  подвижной системы указателей

РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Характеристика чувствительной характеристики прибора необходимо предварительно рассчитать характеристики отдельных звеньев прибора. Это позволяет рассчитать чувствительность прибора и построить его шкалу.

А) Расчет чувствительного элемента

Характеристика чувствительного элемента может быть представлена зависимостью перемещения  чувствительного элемента от измеряемого давления P

В нашем случае в качестве чувствительного элемента задана мембранная коробка. Характеристику мембраны трапецеидального профиля можно определить по формуле

где P – измеряемое давление;

 - прогиб центра мембраны [м];

R – рабочий радиус мембраны [м];

a,b – коэффициенты зависящие от формы профиля мембраны

h – толщина материала мембраны [м];

Е – модуль упругости материала (Е=1.2*108 Па для БрБ-2.5).

Следуя указаниям из [4, стр. 472..475] принимаем R=0.04, h=0.002, a=48, b=0.042 и выразив  из (1) получим

=0.008.

Б) Расчет передаточно-множительного механизма

Находим зависимость 1=f2()

где 1 – угол поворота щетки потенциометра.

Принимаем передаточное отношение механизма i=10. Тогда имеем:

При малых углах поворота (1) перемещение щетки потенциометра можно считать пропорциональным углу поворота, т.е.:

y=lЩ1,

y=0.98 см

где lЩ – длина щетки до оси вращения(lЩ=3.5 см.) (радиус потенциометра).

Изменение сопротивления одного из плеч потенциометра функционально связано с перемещением y щетки потенциометра RX=f4(y) и для линейного потенциометра

где y0 – полная длина намотки потенциометра.(y0=1.2 см).

R0 – сопротивление потенциометра 255 Ом.

Далее найдем зависимость сопротивления RX давления P,.т.е.

Далее рассчитаем конструктивные параметры потенциометра.

Средняя длина витка потенциометра

где b и h – ширина и высота каркаса (b=5 мм. h=4 мм)

Диаметр проволки

где RП – сопротивление потенциометра в ом;

l0 – средняя длина витка в мм;

lН – длина намотанной части потенциометра (lН=12 мм)

- удельное сопротивление в ом*мм2/м. (1.1 ом*мм2/м)

d=0.034 мм

Число витков намотки потенциометра

В) Расчет параметров электрической схемы

При расчете электрической схемы следует определить зависимость

где I1 и I2 токи в рамках логометра.

При расчете плеч моста R1=R2=R и обозначив R0=RX+RY, характеристика электрической схемы имеет вид:

Г) Расчет логометра с подвижным магнитом.

Расчет логометра разделяется на две части

Определение необходимого характера кривых моментов и характеристики шкалы логометра

Расчет собственного измерительного механизма (параметры рамки, коэффициент усиления и т.д.).

Зависимость угла поворота  подвижной системы от отношения токов в рамках, для монометра типа ЭДМУ можно определить из формулы:

при I1=0.0002 A I2=0.022 A

=29.9 0

Д)Расчет цифрового выхода

Реализовать АЦП достаточно просто, используя цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) на однокристальной микросхеме К572ПА1, операционный усилитель К140УД9 и компаратор напряжения К554СА3.

Рассмотрим более подробно компаратор напряжения К554СА3. Компаратор осуществляет переключение выходного напряжения, когда изменяющийся выходной сигнал становится выше или ниже определенного уровня. Компаратор принадлежит к классу формирователей, предназначенных для перехода от аналоговых сигналов к цифровым. Поэтому оконечные каскады компараторов обычно конструируют таким образом, чтобы выходное напряжение соответствовало бы принятым логическим уровням распространенных цифровым микросхем. Компаратор напряжения К554СА3 может питаться как от +-15 В так и +-9 В и даже +-5 В связи с этим применение компаратора становится разнообразным.

ПНК последовательного счета строятся либо по классическому методу последовательно, либо с промежуточным преобразованием входного напряжения в какую либо другую аналоговую величину. Промежуточное преобразование снижает точность измерения тем не менее именно по этому методу строились, в основном цифровые измерители напряжения. Это объясняется тем, что ЦАП(преобразователь напряжение код) реализующие классический метод последовательного счета содержат формирователь ступенчатого эталонного напряжения, реализация которого на дискретных элементах приводила к большому объему оборудования по сравнению с другими типами ЦАП. Однако положение изменилось с развитием интегральной технологии и в настоящее время ЦАП исполняется в корпусе одной интегральной микросхемы

Измеренное напряжение высвечивается на индикаторах типа АЛС324Б предварительно пройдя через двоично-десятичные счетчики типа К155ИЕ2и дешифраторы КР514ИД2.

Расчет основных параметров АЦП.

Микросхема К572ПА1 имеет следующие характеристики:

Число разрядов: n=10

Максимальная нелинейность

Температурный коэффициент нелинейности

Время установления выходного сигнала при изменении цифрового сигнала на входе 500 нс.

Расчет метрологических характеристик АЦП (допустимой средне квадратичной погрешности преобразования (измерения) (ПР), величины амплитудного кванта (ПР), величины кванта (d)):

Число разрядов

Величина временного кванта

Период следования тактовых импульсов:

Частота тактовых импульсов

Расчет и выбор элементов генератора тактовых импульсов (ГТИ)

Г
ТИ нетрудно реализовать используя интегральную микросхему К555ЛН1 см. рис. 5.

Частоту генерируемых импульсов можно найти по формуле

где С1 – емкость конденсатора С1

R4 – сопротивление резистора R4 (R4=220 Ом)

Зная fИМП и R4 можно определить емкость конденсатора С1 по формуле 5

Исходя из полученных данных выбираем следующие микросхемы:

К554СА3 компаратор

OP27A операционный усилитель фирмы Analog Devises

К572ПА1 ЦАП

РАСЧЕТ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

С помощью структурной схемы (рис.3) определяется передаточная функция прибора.

Динамический расчет производим из условия постоянной чувствительности прибора во всем рабочем диапазоне измерения. Определяем передаточные функции звеньев.

С

Wp(p)

Wc(p)

W2(p)

W3(p)

W4(p)

W5(p)

W0(p)

P

P’

FДВ



У

RX



Рисунок 4

Передаточная функция W1 состоит из трех звеньев:

А) подводящего трубопровода

,

где Т0 – постоянная времени

Постоянной времени можно пренебречь, и тогда получим

Б) чувствительного элемента – мембранной коробки

,

FЭФ – эффективная площадь чувствительного элемента( в нашем случае(FЭФ=2R при R=0.02 FЭФ=0.013 м)

В) подвижной системы

,

где КД – приведенный коэффициент демпфирования ,

СЖ – приведенный коэффициент жесткости,

Т – постоянная времени воздушного демпфера, в качестве которого служит мембрана чувствительно элемента.

м – приведенная масса подвижных частей.

Передаточная функция второго звена W2 – передаточно-множительного механизма

Передаточная функция 3-го звена W3 – потенциометр

Передаточная функция 4-го звена W4 –электрическая схема

На основании расчета характеристик отдельных звеньев прибора можно определить его чувствительность S

S=S1S2S3S4S5

4.Расчет и анализ погрешностей

При расчете суммарной погрешности следует учитывать систематическую составляющую инструментальной погрешности, как наиболее характерную для данного типа прибора.

Суммарная погрешность находится по следующей формуле

где 1 – погрешность мембраной коробки, которая складывается из погрешностей изменения жесткости мембраны во времени и неточностей изготовления. Эти погрешности нормируются при проектировании и изготовлении и они не превышают 0.5% (1=0.5%)

2 – погрешности передаточно-множительного механизма, вызванные наличием зазоров, люфтов и влиянием температуры. Компенсируется подбором материалов и конструктивными способами.

3 – погрешность потенциометра; складывается из витковой и технологических погрешностей

Максимальная величена витковой погрешности выражается по следующей формуле:

4– суммарная погрешность логометра. Принимается равной 0.9 %

Исходя их этого получим

=1.64 %

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Берендс Д.А. и Ко, Методическое руководство по курсовому проектированию по дисциплине « Теория, расчет и проектирование измерительных приборов», М.,1981 г.

Браславский Д.А. Приборы и датчики летательных фппаратов. М.: Машиностроение, 1970 г.

Боднер В.А Авиационные приборы. М. :Машиностроение, 1969 г.

Г.А. Веркович и К0 Справочник конструктора точного приборостроения С-П: Машиностроение 1989 г.

Асс Б.А., Антипов Е.Ф., Жукова Н.М. Детали авиационных приборов. Изд. 2-е. М. : Машиностроение, 1966 г.