4. Техническое задание

1. Назначение и область применения

Реостатный преобразователь больших линейных перемещений относится к измерительной технике. Цель – контроль с помощью данного преобразователя линейных перемещений в рессорном подвешивании вагона, обеспечение безопасности и работоспособности рессор. Ранее, данная величина не подвергалась контролю, поэтому прямых аналогов у разрабатываемого прибора нет, поэтому его разработку будем вести руководствуясь общими принципами построения реостатных преобразователей. Это обусловлено так же и узким кругом применения таких преобразователей.

2. Основные требования к преобразователю

Основными параметрами устройства являются:

1) диапазон измерений: от 0 до 100 мм;

2) погрешность измерений: не более 3%;

3) выходное сопротивление: от 0 до 100 Ом;

4) порог чувствительности: 1 Ом;

5) межвитковая емкость: 20 пФ.

Снятие значений измеряемой величины должно производится с помощью адекватно отградуированного устройства с цифровой индикацией.

Требования по эксплуатации должны обеспечивать безопасность работы преобразователя перемещения. К таковым требованиям относятся:

1. предельно допустимое перемещение: 0-100 мм;

2) изоляция электрических цепей,

3) надежное крепление составляющих преобразователя.

5. Конструкторский раздел

Данный раздел подразумевает рассмотрение необходимых для проектирования схемы устройства физических эффектов, положенных в основу принципа действия преобразователя, и возникающих в процессе работы. Также приводится рассмотрение электрической схемы включения датчика. Приведены расчеты функции преобразования, электрической схемы, погрешностей, допустимых и возникающих в процессе работы. На основе вышеперечисленного делаются выводы о возможностях преобразователя.

5.1 Принцип действия преобразователя

Конструкция разрабатываемого преобразователя наиболее часто применяется для измерения линейных или угловых перемещения, поэтому зарекомендовала свою простоту и надёжность. Представляет собой реостат, щётка которого перемещается под действием измеряемой величины – линейного перемещения. Реостат представляет собой цилиндр, на который намотана изолированная константановая проволока. В месте контакта со щёткой обмотка зачищена от изоляции. При перемещении щётки с одного витка на другой происходит ступенчатое изменение сопротивления, что вызывает погрешность квантования, уменьшающуюся с ростом числа витков. Выходное сопротивление фиксирует прибор с цифровой индикацией.

Уравнение преобразования такого преобразователя в самом общем виде выглядит так: R = f(), гдеR – выходное сопротивление преобразователя, - линейное перемещение щётки.

Данный прибор является параметрическим, т.е. требует дополнительного источника питания.

5.2 Расчет основных характеристик преобразователя

Конструкция преобразователей разрабатывалась в соответствии с проведёнными расчетами, включающими в себя расчёты характеристик преобразователя при номинальных размерах и размерах элементов, соответствующих граничным условиям допусков, и функции преобразования по заданным исходным данным. Кроме того содержатся расчеты погрешностей, возникающих во время работы преобразователя.

Как уже отмечалось ранее, выходная величина преобразователя изменяется ступенчато, поэтому зададимся порогом чувствительности: . Сопротивление реостата изменяется в пределах от 0 до 100 Ом. Вычислим число витков:

Выберем далее материал провода по температурному коэффициенту сопротивления (), для этого выразимиз формулы:

где:

Итак, в качестве материала провода выбираем константан, т.к. его параметры наиболее подходящие:

Зададим далее диаметр провода (выберем из стандартного ряда) и вычислим его длину:

Выбираем диаметр 0,1 мм (столь малый диаметр выбран постольку, поскольку требуется обеспечить достаточно большое сопротивление и затратить на производство провода минимальное количество дорогостоящего константана) и выражаем из (11) длину провода (

Вычисляем шаг укладки:

Теперь зададим диаметр каркаса 1 мм и вычислим его длину:

Принимаем длину каркаса , и вычислим теперь шаг укладки:

Рассчитаем количество теплоты, выделяемое в обмотке при температуре , которая обусловлена ни чем иным, как погодными условиями при эксплуатации в России, где в течении года температура меняется в диапазоне от -30до +30:

где: с – удельная теплоёмкость (для константана с=397);

m – масса провода;

- разность температур ();

для этого необходимо рассчитать поперечное сечение провода:

его объём:

и, наконец, массу:

Рассчитаем теперь количество теплоты:

Проведём расчет максимально допустимого тока в обмотке:

Данный преобразователь является инерционным звеном и обладает по этому межвитковой ёмкостью С = 20 пФ.

Запишем дифференциальное уравнение преобразователя:

где: Т – постоянная времени звена;

- передаточный коэффициент звена;

- выходное напряжение;

- входное напряжение.

Постоянная времени в данном случае равна:

Передаточный коэффициент находим по формуле:

Запишем теперь передаточную функцию (представив для этого дифференциальное уравнение в операторной форме):

Выполним замену переменных и получим комплексный коэффициент преобразования:

Амплитудно-частотная характеристика данного преобразователя описывается следующим выражением:

(27)

Из формулы (27) видно, что выражение для ЛАЧХ преобразователя состоит из двух слагаемых:

(28)

;

Изображение ЛАЧХ и ЛФЧХ, а так же АФХ приведены на листах графической части.

Рассчитаем теперь функцию преобразования. Функция преобразования в самом общем случае имеет вид: y = f(x), где х и у – входная и выходная величина соответственно. В нашем случае входной величиной является перемещение , а выходной – сопротивление, а функция преобразования имеет вид:

(29)

где: - сопротивление всего реостата;

–перемещение движка;

- длина провода;

- длина всего реостата;

- удельное сопротивление.

Графическое изображение функции преобразования представлено в графической части.

Чувствительность преобразователя есть отношение приращения выходного сопротивления к приращению входного перемещения:

(30)

Рассмотрим теперь погрешности, возникающие в преобразователе. В сложных электрических устройствах, как правило, погрешность складывается из многих факторов. В нашем случае абсолютная погрешность описывается следующим выражением:

(31)

где: – погрешность, обусловленная неточной выдержкой диаметра провода, принимаем

–погрешность, обусловленная неточным соблюдением длины провода, принимаем

–погрешность, обусловленная неправильным выбором сплава, не обеспечивающего нужное удельное сопротивление, принимаем т.к. в современных условиях правильно выбрать сплав довольно просто;

, где ; ;

Рассчитаем теперь общую погрешность преобразователя:

(32)

Погрешность шунтирования обусловлена тем, что на выходе подсоединена нагрузка, в виде вольтметра, обладающего сопротивлением 1 Мом:

С учётом полученных данных найдём общую погрешность преобразователя:

Получили погрешность, значительно ниже требуемой, что является положительным событием.

Структурная схема и схема включения преобразователя приведены на листах графической части.