Содержание
Введение
Задание
1. Расчет потенциометрического датчика
1.1 Последовательность расчета
2. Расчет надежности
Задание
Литература
Приложение
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:
Рис. 1. Потенциометрический датчик
1. Каркас
2. Обмотка
3. Подвижный контакт (движок) и корпус
Каркас изготовителя 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.
Задание
Исходные данные для расчёта (см. таблицу 1):
Таблица 1
| № вар. | хвх max | Кд | Dвх min | dlmax, % | Dt,° C | R0, мм | Материал каркаса | |||
| a, град | L, мм | В/град | В/мм | Угл. мин | мм | |||||
| -50…+50 | Керам. | |||||||||
| -50…+50 | Керам. | |||||||||
| -50…+50 | Керам. | |||||||||
| 0,5 | -50…+50 | Керам. | ||||||||
| 0,5 | -50…+50 | Керам. | ||||||||
| 0,5 | -50…+50 | Керам. | ||||||||
| 1,5 | -50…+50 | Керам. | ||||||||
| 1,5 | -50…+50 | Керам. |
где
1. Максимальный угол входной величины Xвх max = a =8град.
2. Коэффициент передачи датчика Кд=1 В/град.
3. Порог чувствительности Dвх min=amin=4мин.
4. Максимальная относительная погрешность dlmax,=1%.
5. Диапазон изменения температуры окружающей среды 
t =-50°... +50°
6. Материал каркаса: керамика.
Задачи 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.
1. Расчет потенциометрического датчика
Основные параметры ПД условно можно разделить на конструктивные и схемные, или электрические параметры (рис.1, а, б).
К конструктивным параметрам относятся:
D0 - средний расчетный диаметр каркаса;
aп - угол намотки потенциометра;
h - высота каркаса;
в - ширина или толщина каркаса;
am- 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;
r - удельное сопротивление материала провода;
dlmax - максимальная относительная погрешность нагруженного датчика.
1.1 Последовательность расчёта
1. Вычисляем общую величину угла намотки потенциометра.
град
где 
- технологическая добавка к рабочей протяженности каркаса
( =3…5 мм).
2. Вычисляем длину намотки потенциометра
мм.
3. Определяем число витков датчика
4. Вычисляем шаг намотки
5. Определяем диаметр провода в изоляции и без нее:
,
.
6. Выбираем высоту h, толщину в и материал каркаса
,
.
7. Определяем среднюю длину lср одного витка обмотки
8. Вычисляем длину провода обмотки lобм
9. Определяем минимально допустимое напряжение питания
следовательно 
.
10. Вычисляем допустимую величину тока In, протекающего по обмотке датчика
,
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
.
12. Вычисляем необходимое удельное сопротивление обмотки
,
где 
.
13. Выбираем материал провода для обмотки.
Близким удельным сопротивлением к полученному обладает материал никелин с r=0,43…0,52 Ом·мм2/м (этот материал обладает малой зависимостью удельного сопротивления от температуры).
Итак, мы выбираем константановый провод марки ПЭК с удельным электрическим сопротивлением r=0,44 Ом·мм2/м. Диаметр провода уточняем по сортаменту:
с изоляцией 
;
без изоляции 
.
14. Определяем действительные значения Rn и j
15. Вычисляем абсолютное значение DU
.
16. Определяем потребный нагрузочный коэффициент
В,
, следовательно при 
=0,5 имеем:
17. Вычисляем минимально допустимую величину сопротивления нагрузи, которое может быть подсоединено к ПД, чтобы dl = 0,1 %
,
.
18. Определяем поверхность обмотки
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:
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;
Qу - установившийся перегрев обмотки (превышение температуры датчика над температурой окружающей среды).
Для керамического каркаса с = 
Вт/град · см2
Из условия хорошего контакта движка о обмоткой и отсутствия коробления каркаса допускается превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды не более Qдоп = 40 … 50°,
где Qдоп = Qоб - Qср;
Qср температура окружающей среды;
Qоб - температура обмотки.
Так как при расчете получено, что Qуст < [Qдоп] 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
На практике наиболее часто интенсивность отказов изделий является величиной постоянной. При этом время возникновения отказов обычно подчинено экспоненциальному закону распределения. Тогда
Если имеется r типов элементов и i-й тип содержит Ni равнонадежных элементов, то
Для расчета надежности необходимо знать:
1) вид соединения элементов расчета надежности;
2) типы элементов, входящих в изделие, и число элементов каждого типа;
3) величины интенсивности отказов элементов li, входящих в изделие.
Принимая во внимание режим работы элементов, требуется ввести поправочные коэффициенты:
- ai учитывающий температуру и электрическую нагрузку,
- ki, учитывающий механические нагрузки и относительную влажность окружающего воздуха.
Итак, получим следующие характеристики надёжности схемы:
1. Средняя интенсивность отказа:
2. Вероятность безотказной работы, в течение 500 часов:
3. Средняя наработка до первого отказа:
часов.
Все параметры удовлетворяют требуемым значениям. Полученная вероятность безотказной работы схемы в течение 500 часов удовлетворяет требованию надёжности
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 , и поэтому резервирование элементов производить не требуется.
Список литературы
1. Колосов С.П. и др. Элементы автоматики. - М.: Машиностроение, 1970.
2. Красовский А.А. Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. - М.: ГЭИ, 1972.
3. Аскерко В.С. Техническая электроника и элементы авиационных автоматических устройств. Ч. II. - М.: ВВИА им. Жуковского, 1975.
4. Белевцев А.Т. Потенциометры. - М.: Машиностроение, 1969.
5. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.Я. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования: Учебное пособие для вузов. - М.: Машиностроение,1985
6. http://www.chipinfo.ru/dsheets/ic/1113/pv1.html
