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
. 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 не засохшим термореактивным лаком. После намотки каркас помещают в печь, лак затвердевает и прекрасно крепит 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.
. Значительная снимаемая мощность.
. Малый вес и габариты.
. 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.
. Необходимость токоподводов.
. 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.
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 |
|||||
1 |
8 |
1 |
4 |
1 |
-50…+50 |
30 |
Керам. |
где
. Максимальный угол входной величины хвх max = a =8град.
. 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°
. Материал каркаса: керамика.
Задачи курсовой работы:
Рассчитать по методике расчета двухтактного потенциометрического датчика угловых перемещений, выполненном на линейном потенциометре, потенциометрический датчик, согласовать параметры полученного ПД с АЦП, рассчитать надежность, наработку на отказ и начертить схему.
Основными этапами расчета по данной методике являются:
. Определение основных конструктивных параметров каркаса и обмотки.
. Расчет электрических параметров обмотки.
. Расчет температурного режима датчика.
. Выбрать АЦП, по полученным параметрам ПД.
. Расчет характеристик надёжности работы схемы.
. Начертить схему.
. Расчет потенциометрического датчика
потенциометрический датчик каркая обмотка
Основные параметры ПД условно можно разделить на конструктивные и схемные, или электрические параметры (рис.1, а, б).
К конструктивным параметрам относятся:- средний расчетный диаметр каркаса;
aп - угол намотки потенциометра;- 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;- общее сопротивление обмотки потенциометра;
r - удельное сопротивление материала провода;
dlmax - максимальная относительная погрешность нагруженного датчика.
Последовательность расчёта
. Вычисляем общую величину угла намотки потенциометра.
град
где - технологическая
добавка к рабочей протяженности каркаса
(=3…5 мм).
. Вычисляем длину намотки потенциометра
мм.
. Определяем число витков датчика
. Вычисляем шаг намотки
. Определяем диаметр провода в изоляции и без нее:
,
.
. Выбираем высоту h , толщину в и материал каркаса
,
.
. Определяем среднюю длину lср одного витка обмотки
. Вычисляем длину провода обмотки lобм
. Определяем минимально допустимое напряжение питания
следовательно
.
. 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.
. Определяем необходимое сопротивление обмотки ПД
.
. Вычисляем необходимое удельное сопротивление обмотки
,
где .
. 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 .
. Определяем действительные значения Rn и j
15. Вычисляем абсолютное значение DU
.
. Определяем потребный нагрузочный коэффициент
В,
, следовательно при
=0,5 имеем:
. Вычисляем минимально допустимую величину сопротивления нагрузи, которое может быть подсоединено к ПД, чтобы dl = 0,1 %
,
.
. Определяем поверхность обмотки
. 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. Выбор АЦП и согласование его с датчиком
В качестве АЦП выбираем К1113ПВ1 - АЦП последовательных
приближений, так как параметры данной микросхемы удовлетворяют полученному в
расчётах выходному напряжению нагрузки .
Параметры микросхемы К1113ПВ1 приведём в таблице 2:
Таблица 2
Тип Микросхемы N ,
% (МЗР),
мкс,
В,
В,
В |
|
|||||||
К1113ПВ1 |
10 |
(1) |
30 |
5±5%; -15±5% |
±10 |
10,24 |
2,4/0,4 |
28 |
АЦП имеет внутренний источник опорного напряжения, тактовый генератор и компаратор напряжения. Для включения АЦП требуются источники питания и формирователь преобразования. Схема построения АЦП приведена на рис. 3.
а) б)
Рис. 3. Микросхема К1113ПВ1.
Где ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, ИОН - источник опорного напряжения, ГД - сигнал «Готовность данных», РПП - регистр последовательного приближения.
а-функциональная схема
б - условное графическое обозначение
Выводы микросхемы:
- девятый разряд;
- восьмой разряд;
- седьмой разряд;
- шестой разряд;
- пятый разряд;
- четвертый разряд;
- третий разряд;
- второй разряд;
- первый разряд;
- напряжение питания Uп1;
- гашение и преобразование;
- напряжение питания -Uп2;
- вход аналоговый;
- аналоговая "земля";
- управление сдвигом нуля;
- цифровая "земля";
- готовность данных;
- десятый разряд (младший);
Микросхема имеет выходные устройства с тремя устойчивыми состояниями, что упрощает его сопряжение с шиной данных микропроцессора. Несколько АЦП могут обслуживать один микропроцессор, и наоборот.
Режим работы микросхемы в микропроцессорной системе определяется управляющими импульсами от микропроцессора. При поступлении на вход «Гашение и преобразование» микросхемы К1113ПВ1 уровня лог. 0 АЦП начинает преобразование входной информации. Через время, необходимое для преобразования, на выходе АЦП «Готовность данных» появляется сигнал с уровнем лог. 1, запрашивающий вывод данных с АЦП на шину данных системы. Приняв данные в системную магистраль, МП устанавливает на входе «Гашение и преобразование» АЦП уровень лог. 1, который «гасит» информацию, содержащуюся в регистре последовательного приближения, и АЦП снова готов к приему и обработке входных данных.
Аналого-цифровой преобразователь может обрабатывать входную информацию в виде однополярного аналогового напряжения до 10,5В и двухполярного ±5,5В. При включении АЦП в двухполярном режиме вывод 15 (управление сдвигом нуля) должен быть открыт, а в однополярном режиме его необходимо соединить с выводом «цифровая земля».
Микросхема К1113ПВ1 допускает предварительную установку напряжения смещения нуля. В зависимости от точности регулирования и диапазона необходимой шкалы входного напряжения применяются различные варианты схем регулирования напряжения смещения. Так, при максимальном диапазоне входного сигнала UBX = 10,5 В регулировка напряжения смещения проводят переменным резистором 100…200Ом, подключенным между источником сигнала и аналоговым входом 13, а для достижения точности ±1/2 единицы МЗР - переменным резистором 5…50 Ом, подключенным с выхода 14 («аналоговая земля») на «корпус».
Таким образом, для согласования датчика и АЦП нам не потребуется делитель или усилитель напряжения преобразования сигнала, так как Uвх АЦП=10,24В, а выходное напряжение потенциометрического датчика Uвых.н=9,8В.
Таким образом, получаем следующую схему (см приложение).
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:
) вид соединения элементов расчета надежности;
) типы элементов, входящих в изделие, и число элементов каждого типа;
) 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:
. Средняя интенсивность отказа:
. Вероятность безотказной работы, в течение 500 часов:
. 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.
Проектирование двухполупериодного выпрямителя и Г-образного индуктивно-емкостного фильтра
Электроника
это наука, которая охватывает не только технику слабых токов, но технику
сильных токов, обычно относящихся к электротехнике, поскольку она опер ...
Каналы утечки речевой информации и способы их закрытия
Для несанкционированного добывания информации в настоящее
время используется широкий арсенал технических средств, из которых
малогабаритные технические сред ...
Проект корпоративной вычислительной сети
Локальные
сети в последнее время все более превращаются в обязательную принадлежность
любой компании, имеющей больше одного компьютера. Это обусловлено возр ...