Удельная нагрузка на ленту конвейера

m_ленты – масса одного метра ленты,

          m_ст – масса одного метра конвейерного става.

Принимаем Р_max = 1.5 кН.

Данное средство измерения  должно обладать следующими техническими и технологическими характеристиками:

Диапазон измерения  Р = (0 ÷ 1.5) кН, М = (0 ÷ 200) кг.

         Точность измерения ± 1%

3 Анализ существующих методов и средств измерения параметра в технологическом процессе

 

В состав шахтного магистрального ленточного конвейера могут входить: тензометрические, гидравлические, оптические и гамма-электронные весы.

Гидравлические  датчики производятся в виде поршневых цилиндров.  Весовая нагрузка передается через поршень или мембрану на жидкость, находящуюся в рабочей плоскости цилиндра. Давление жидкости в цилиндре может быть зафиксировано манометром.

Весы конвейерные оптические предназначены для измерения веса сыпучих материалов, транспортируемых конвейерами. Весы состоят из оптического модуля и блока видеообработки.

Принцип работы оптических весов . Транспортируемый конвейером материал освещается сверху под углом 45 градусов к продольной оси конвейера узким лучом света, который огибает материал, желоб ленты конвейера и проецируется на матрицу цифровой видеокамеры. Оптическая ось камеры так же располагается под углом 45 градусов к продольной оси конвейера и под углом 90 градусов к плоскости луча света. В качестве луча используется лазер.

В последнее время  получают применение гамма-электронные конвейерные весы для непрерывного взвешивания материалов, транспортируемых ленточными конвейерами, и дозирующие устройства, работа которых основана на учете фотометрического эффекта и радиоактивных излучений. 

Принцип работы тензометрических конвейерных весов основан на том, что измерительный участок конвейерной ленты через две роликоопоры весов передает нагрузку на датчики. Количество роликоопор и датчиков, входящих в состав ГПУ весов позволяет увеличить область взвешивания и достигнуть высокой точности взвешивания

ГПУ состоит из двух опорных балок (2) и двух подвесных балок (3).

Рисунок 3.1. – Схема  установки тензометрических весов.

1 - став конвейера; 2 –  опорные балки; 3 – подвесные балки;

4–тензометрический датчик, 6–датчик скорости ленты,

5 – тензоизмеритель конвейерный и соединительные кабели.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Выбор метода измерения. Описание его преимуществ и недостатков, физического явления

 

Для расчетов в данном курсовом проекте выбираем тензометрические конвейерные весы.

Достоинства и преимущества.

- В конструкции весов применены 4 тензодатчика, расположенных по углам ГПУ в поворотных узлах встройки, что позволяет устанавливать весы на конвейерах с углом наклона до 20°.

- Широкий диапазон производительностей  и типов конвейера

- Датчик скорости ленты крепится к роликоопоре весов или конвейера и приводится во вращение верхней ветвью конвейерной ленты.

- Измерительный участок конвейерной ленты через две роликоопоры весов передаёт нагрузку на датчики. Количество роликоопор и датчиков, входящих в состав ГПУ весов, позволяет увеличить область взвешивания и достигнуть высокой точности взвешивания.

- Грузоприёмное устройство легко монтируется на стан конвейера.

- Весы неприхотливы и удобны в обслуживании.

- Простота транспортировки к месту монтажа (весы поставляются в разобранном виде масса 60-120кг).

- Широкий температурный диапазон эксплуатации (от -30 до +40°С).

Датчики измерительной  системы основаны на тензометрическом эффекте. В датчике веса чувствительным элементом служит упругий элемент балочного типа. Упругие деформации элемента, пропорциональные нагрузке, измеряются при помощи тензорезисторов.

Рисунок 4.1 – Схема  тензорезистивного датчика силы с балочным

 упругим элементом.

1 – упругий элемент, 2 - тензодатчики

Тензометры представляют собой металлические калиброванные проводники малого сечения, плотно соединяемые с контролируемой деталью. При деформации детали проводник также деформируется, растягиваясь или сжимаясь в пределах упругой деформации. Для этой цели тензометр плотно наклеивается на деталь вдоль направления контролируемого напряжения или деформации. При растяжении проводника его сопротивление возрастает, а при сжатии уменьшается. Таким образом, измерителем механического напряжения или деформации контролируемой детали является омическое сопротивление тензометра.

В подавляющем большинстве  случаев тензорезистивные преобразователи  используются в мостовых цепях постоянного  тока. При этом тензорезистор может  быть включен в одно из плеч моста, в два плеча либо мостовая цепь может быть составлена целиком из тензорезистивных преобразователей.

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Разработка структурной схемы измерения. Нахождение уравнения преобразования. Расчет чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя (датчика) и средства измерения

 

Рисунок 5.1 – Структурная схема разрабатываемого устройства

Условные обозначения  на схеме:

СР - сумматор

БН – блок нагрузки тензорезистивный преобразователь, сумматор.

Расчет упругого элемента.

Учитывая расположение датчиков (по углам весов) на каждый датчик приходится по ¼ всего веса, т.е. Р = ¼ * 1500 = 375 (Н). Выбираем материал для упругого элемента - сталь ШХ15: упругие элементы повышенной точности для нормальных условий, Е = 210 ГПа, σ_т = 1700 МПа.

Выбираем коэффициент  запаса n_т = 1,75, тогда допускаемое напряжение [σ] = σ_т / n_т = 1700 / 1,75 = 971 (МПа).

Зададимся рядом значений l/h и по формулам

_,

 

 

 

Выбираем b = 13 мм, h = 4,5 мм, l = 85,5 мм.

Связь между приложенной силой  Р и максимальными деформациями от поверхностных напряжений определяется соотношением

                                                                                      ,

где l – длина балки, h – толщина балки, Sс – сечение балки, Е – модуль упругости материала балки, Р – приложенная сила.

 

Расчет тензорезистора.

Выбираем материал тензорезистора константан: коэффициент  тензочувствительности k = 2,2, модуль упругости Е=150 ГПа, удельное сопротивление ρ = 0,5 мкОм/м.

Тензорезистор проволочный  одноэлементный петлевой на бумажной основе ПКБ-30-400: база l = 30 мм, номинальное  сопротивление R = 400 Ом, ползучесть 2,5 %/ч.

Уравнение преобразования тензорезистора:

,

где R – исходное сопротивление тензорезистора, (Ом),

ΔR – изменение сопротивления, вызванное удлинением или сокращением, (Ом) ,

K – постоянная пропорциональности (коэффициент тензочувствительности),

ε – деформация.

В датчике (рис. 4.1) необходимо установить 4 тензорезистора: 2 – для  измерения растяжения/сжатия упругого элемента, 2 – для температурной  компенсации. Тензорезисторы соединяются  между собой в мост Уитсона.

Используем мост по системе 4/4. R1, R3 – тензорезисторы, приклеенные к упругому элементу, R2, R4 – термокомпенсационные. Когда сопротивление измерительных приборов с четырех сторон изменяется на R1 + ΔR1, R2 + ΔR2, R3 + ΔR3 и R4 + ΔR4, соответственно, выходное напряжение моста, U_вых, равно:

                       

где U_pit – напряжение питания моста, U_pit = 10В.

Так как тензорезисторы с четырех  сторон имеют аналогичные технические  характеристики, включая коэффициент  тензочувствительности, а R2, R4 используются только для температурной компенсации, выходное напряжение можно выразить как:

 

где К – коэффициент тензочувствительности,

ε1, ε3 – деформации.

(В)

Сигнал с 4-х датчиков необходимо просуммировать и привести к стандартному виду. Для этого  используем сумматор на операционном усилителе.

ОУ подключен по схеме  инвертирующего сумматора  с коэффициентом усиления Kу = U_вых/U_вх, где U_вых – выходное напряжение на САУ, U_вх – сумма выходных напряжений с 4-х датчиков.

Принимаем U_вых = 10 В – стандартное значение сигнала.

Kу = U_вых/U_вх = 10/U_vuh·4 = 10/4·5,06·10^-5 = 49410.

Выбираем ОУ К140 УД17. Его  характеристики:

- К_у = 150 тыс,

- U_п = 3-18 В,

- е_см = ±0,25мВ,

- Т_ксм = 1,3 мкВ/К,

Рисунок 5.3 – Схема  подключения операционного усилителя.

Расчет операционного  усилителя.

Рассчитаем ток с датчиков, учитывая внутреннее сопротивление моста r = 400*4 = 1600 (Ом), i = U_vuh / r + R, R – R1…R4 = 3кОм.

Тогда суммарный ток  с 4-х датчиков равен

i = 4*(U_vuh / r + R) = 4*(5,06·10^-5 / 1600 + 10000) = 17 (нА).

Входной ток на ОУ не должен превышать 10нА. Выбираем R5 = 7,5 кОм, что обеспечит падение тока до 10нА.

Ку = R7/R5.

R7 = Ку*R5 = 97970 * 7500 = 73 (МОм). Выбираем R7 = 75 МОм из стандартного ряда.

R6 = R5*R7/(R5+R7) = 10 (кОм).

Согласно схеме подключения  ОУ R8 = 100 кОм. 

Учитывая полученные значения деформаций упругого элемента, расчета измерительных цепей и сумматора на ОУ, составим уравнение преобразования данного средства измерения.

U_вых = m · К_уэ · К_тп · К_см,

где m – масса материала на ленте,

К_уэ – коэффициент преобразования приложенной силы в деформацию на упругом элементе,

К_тп – коэффициент преобразования деформации УЭ в напряжение на выходе датчика силы,

К_см – коэффициент преобразования сигнала на сумматоре.

Подставив известные данные в уравнение  получаем:

                       , В,

 

 , В

                         , В.

Уравнение размерности  составляется на основе уравнения преобразования путем подстановки в него размерностей всех его компонентов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Анализ погрешностей измерения первичного преобразователя (датчика) и средства измерения. Уравнение погрешности

 

Качество измерений  характеризуется: точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений. Точность измерительного прибора это - метрологическая характеристика прибора, определяемая погрешностью измерения, в пределах которой можно обеспечить использование данного измерительного прибора.

В метрологии используется понятие "класс точности" прибора или меры. Класс точности средства измерений (ГОСТ 8.401-80) является обобщенной характеристикой средства намерений, определяемой пределами основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения.

Проанализировав уравнение преобразования данного измерительного механизма, величины, входящие в него, можно разделить на 2 группы:

- постоянные (l, h, Sc, g, К, m_ленты, m_ст) – величины, которые не вызовут погрешности или ими можно принебреч,

- изменяемые (Upit, Ky) – величины, вносящие погрешность в измерение.

Как видно из уравнения  преобразования наибольшую погрешность  в измерение вносит операционный усилитель.

Реальные микросхемы операционных усилителей характеризуются  большим количеством параметров. Часть этих параметров можно использовать для определения аддитивных погрешностей, т.е. таких погрешностей, которые не связаны с наличием входного сигнала, а часть - для определения мультипликативных погрешностей, т.е. таких, которые проявляются лишь при наличии входного сигнала. К числу параметров, используемых для расчета аддитивных погрешностей, относится напряжение смещения U_СМ. К числу параметров, используемых для расчета мультипликативных погрешностей, относится коэффициент усиления K.

Мультипликативная погрешность:

Расчет суммарных погрешностей

Мультипликативной:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Нахождение градуировочной и рабочих характеристик. Оценка метрологическ характеристик измерительного датчика и средства измерения

 

Метрологическими показателями и характеристиками измерительных приборов и установок являются: диапазон показаний, диапазон измерений, градировочная характеристика, чувствительность и вариация и др.

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины с нормированными допускаемыми погрешностями средства измерений.

В данном приборе диапазон измерений составляет M = (0 ÷ 200) кг.