Конструирование датчика давления

Для получения  нелинейной функции преобразования применяют функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер преобразования часто достигается профилированием каркаса преобразователя.

К достоинствам преобразователей относится возможность получения высокой точности преобразования, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки — наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших его перемещений, а иногда и значительного усилия для перемещения.

Применяют реостатные преобразователи  для преобразования сравнительно больших перемещений и других неэлектрических величин (усилия, давления и т. п.), которые могут быть преобразованы в перемещение.

    1.2.2 Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы).

В основу работы преобразователей положен тензоэффект, заключающийся в изменении активного сопротивления проводника (полупроводника) под действием вызываемого в нем механического напряжения и деформации. Если проволоку подвергнуть механическому воздействию, например растяжению, то сопротивление ее изменится. Относительное изменение сопротивления проволоки AR/R = SAl/t, где S — коэффициент тензочувствительности; А — относительная деформация проволоки.

Изменение сопротивления  проволоки при механическом воздействии на нее объясняется изменением геометрических размеров (длины, диаметра) и удельного сопротивления материала.

Тензочувствительные преобразователи, широко применяемые в настоящее время, представляют собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги (подложке) проволоку (проволочную решетку). Преобразователь включают в цепь с помощью привариваемых или припаиваемых выводов. Преобразователь наклеивают на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью проволочной решетки.

Для изготовления преобразователей применяют главным образом константановую проволоку диаметром 0,02 ÷ 0,05 мм (S = 1,94-2,1). Константан обладает малым температурным коэффициентом электрического сопротивления, что очень важно, так как изменение сопротивления преобразователей при деформациях, например, стальных деталей соизмеримо с изменением сопротивления преобразователя при изменении температуры. В качестве подложки используют тонкую (0,03 ÷ 0,05 мм) бумагу, а также пленку лака или клея, а при высоких температурах — слой цемента.

 

1.2.3 Термочувствительные преобразователи (терморезисторы).

 

Принцип действия преобразователей основан на зависимости электрического сопротивления проводников или полупроводников от температуры.

Между терморезистором  и исследуемой средой в процессе измерения происходит теплообмен. Так как терморезистор при этом включен в электрическую цепь, с помощью которой производят измерение его сопротивления, то по нему протекает ток, выделяющий в нем теплоту. Теплообмен терморезистора со средой происходит из-за теплопроводности среды и конвекции в ней, теплопроводности самого терморезистора и арматуры, к которой он крепится, и, наконец, из-за излучения.

 

 

 

  1.3 Индуктивные преобразователи

 

Индуктивный метод контроля может быть бесконтактным и контактным. В бесконтактных индуктивных  измерительных системах контролируемая деталь (только из ферромагнитных материалов) непосредственно включена в магнитную цепь, образуя участок магнитопровода. За последние годы разработаны экспериментальные образцы бесконтактных индуктивных датчиков с высокой чувствительностью. Однако бесконтактный метод не нашел пока применения.

В контактных индуктивных  датчиках положение измерительного стержня, зависящее от контролируемого  параметра, определяет взаимное положение  якоря и катушек датчика и  индуктивность системы. Контактные индуктивные датчики могут быть простыми или дифференциальными. Верхний торец измерительного стержня 1 воздействует на якорь 2, подвешенный на плоской пружине 3. Изменение положения якоря, определяемое размером контролируемой детали 6, вызовет изменение воздушного зазора между якорем 2 и катушкой 5 простого датчика (рисунок 4, а) или перераспределение воздушного зазора между катушками 5 и 7 и якорем 2 дифференциального датчика (рисунок 4, б). При уменьшении зазора между якорем и катушкой 5 зазор между якорем и катушкой 7 увеличивается. Изменяется одновременно индуктивность обеих катушек, поэтому чувствительность дифференциального датчика вдвое выше, чем простого. Измерительное усилие создается пружиной 4.

    Условные обозначения:

а - Простой датчик;

б - Дифференциальный датчик;

в - Дифференциального индуктивного датчика плунжерного типа с  экранирующими кольцами.

Рисунок 4- Принципиальные схемы индуктивных преобразователей

 

На рисунке 4, в изображена принципиальная схема дифференциального индуктивного датчика плунжерного типа с экранирующими кольцами. На измерительном стержне 1 датчика, перемещающемся в направляющих 3, закреплены ферритовый якорь 2 и два медных экранирующих кольца 8 и 9. Этот датчик обладает высокой чувствительностью, так как изменение индуктивности L₁ и L₂ обеих катушек зависит от совместного действия двух факторов: положений сердечника и колец. Датчик питается высокочастотным напряжением 50 — 100 кгц.

Датчик имеет рабочий  ход измерительного стержня 0,6—0,8 мм при свободном ходе 4 мм. Пределы  измерения по шкале ± 50 мкм при  предельной погрешности измерения  ± 2 мкм.

 

1.3.1 Принцип работы

 

Индуктивные датчики основаны на преобразовании линейных перемещений в изменение индуктивности катушки. Преимуществами индуктивного метода измерений являются: непрерывность измерения; возможность регистрации непрерывно изменяющихся величин, что необходимо при контроле параметров зубчатых, колес, перемещений узлов станков и др.; возможность отсчета действительных отклонений измеряемой величины по шкале прибора; дистанционность измерений; высокая чувствительность и простота конструкции датчиков. Недостатками метода являются сравнительная сложность электрических схем включения датчиков и влияние отклонений параметров схемы на результаты измерения.

 

4.  Упругие элементы

 

Упругие элементы предназначаются  для виброизоляции и гашения  энергии удара, для выполнения функций  двигателя (например, часовые пружины), для создания зазоров и натяга в механизмах. Упругая характеристика, жесткость и чувствительность.

Упругая характеристика - это зависимость между перемещением X определённой точки упругого элемента и величиной нагрузки р. Упругая характеристика является основным показателем свойств упругих элементов.

 

 

 

 

 

1.4.1 Плоские пружины

В приборостроении широко применяются прямые, кривые, спиральные пружины различных форм и размеров. Они называются плоскими, если оси этих пружин представляют собой плоские кривые. Плоские пружины успешно используются в качестве измерительных, направляющих, упругих подвесов, подвижных частей прибора и др. Плоские пружины изготовляются из круглой проволоки, но чаще они штампуются из пружинной ленты.

Плоские пружины применяются в различных устройствах, в роли кинематических элементов приборов: упругих опор и направляющих, гибких связей и деталей передаточно-множительных механизмов. Плоские пружины выполняют функции измерения в вибрографах, акселографах, тахометрах, манометрах, тягомерах и так далее.

 

1.4.2 Винтовые пружины

 

Винтовые пружины обычно навиваются из проволоки в виде пространственной спирали. Винтовые пружины бывают: Цилиндрические, спиральные, конические, параболоидные.

Винтовые  пружины используются особенно часто в качестве натяжных, обеспечивая необходимую силу натяга между деталями прибора. Иногда они применяются как пружинные двигатели.

 

1.4.3 Мембраны

 

Во многих манометрических  приборах в качестве упругого элемента применяются мембраны - гибкая круглая пластинка, получающая значительные упругие прогибы го₀ под действием давления.

Существуют плоские, гофрированные, выпуклые (сферические или конические) мембраны. Неметаллические мембраны имеют весьма малую жесткость и поэтому, как правило, работают совместно о измерительной винтовой пружиной, выполняя преобразой;ание давления в усилие, воспринимаемое упругим элементом - пружиной.

 

1.4.4 Манометрические трубчатые пружины

В манометрических приборах широко используется свойство полой  трубки деформироваться под действием  давления. Обычно манометрическая трубчатая  пружина представляет собой тонкостенную кривую трубку вытянутого поперечного сечения. Манометрические трубчатые пружины бывают одновитковые (пружины бурдюка), многовитковые - винтовые или спиральные (пружины Бойса). В последнее время в манометрических приборах высокого давления (порядка сотен кгс/см²) нашли применение так называемые «витые» трубчатые пружины, представляющие собой естественную закругленную трубку. 

 

1.5 Конструируемый датчик давления

 

Индуктивные приборы  отличаются высокой точностью, дают возможность вести дистанционные измерения, сравнительно небольшие габаритные размеры индуктивных преобразователей позволяют создавать компактные измерительные устройства.

Конструируемый датчик давления в своей конструкции  так же имеет индуктивный преобразователь  с Ш-образным сердечником и плоским якорем.

Точность расчета преобразователя  в основном определяется точностью  определения проводимости воздушных  зазоров. Перемещение пружины должно составлять значение меньше, либо равное 0.2 мм.

 Требования к прибору:  B = 0.2 Т, К = 100÷150Ом/мм, j = 2÷2.5А/мм².

Прибор должен обладать быстродействием, небольшой погрешностью, высокой надежностью, тогда при измерении давления можно получить хорошие результаты близкие к точным.

 

Рисунок 5- Картина магнитного поля в воздушном зазоре Ш-образного преобразователя

 

В состав конструируемого  датчика так же входит пружина  Бурдона. Перед конструированием будет рассчитано перемещение конца пружины Бурдона эллиптического сечения под воздействием давления и измеренное усилие индуктивного преобразователя с Ш-образным сердечником и плоским якорем. Тогда вид датчика давления будет таким:

Рисунок 6 - Конструируемый датчик давления

Мах и min на рисунке 6 означают, максимальный и минимальный зазор при перемещении якоря. При этом изменяется угол закручивания пружины Бурдона, при изменении давления в среде, и значение на шкале датчика принимает то или иное значение.

 

 

  Расчетная часть

 

 

2.1 Расчет преремещения конца пружины Бурдона

 

Перемещение конца пружины  найдем по формуле:

   _{,                                            ( 1 )}

где коэффициенты  α , β и Г найдем по графикам предложенным  в учебном пособии по курсовому проектированию[]:

_^;

_^;

_^.

_{^{= 0.918} – главный параметр трубки                                           ( 2 )}                        

_{Тогда перемещение λ  равно:}

_{λ= 0.199 мм .}

 

 

 

_{2.2 Расчет измеренного усилия индуктивного преобразователя}

_{Выберем начальный зазор  ^мм из условий:} 

_{мм ;                    ( 3 )}

_{^{мм .}                     ( 4 )}

_{Согласно  формуле (5) определяем количество витков катушки:}

 _{^;                                     ( 5 )}

_{витков.}

_Где

_{fz - коэффициент заполнения;}

_{y = 1.5 мм - толщина стенок каркаса;}

_{x = 2.5 мм - зазор между толщиной стенок катушки и сердечником;}

_{d =0.15*10^-3 - диаметр провода марки ПЭВ-1;}

 

Зададим максимальную величину воздушного зазора, при котором ток, проходящий через катушку преобразователя  имеет наибольшее значение:

  _{^;                                                                                                                               ( 6 )}

_{^{мм .}}

 

_{Координаты  поля выпучивания определяются по графику, показанному в методических указаниях.}

_{А координата Х1 обычно принимается С/2, тогда  в нашем случае         ^{м .}}

_{Если  при этих условиях определить параметры катушки, то плотность тока в процессе работы преобразователя не превысит расчетной величины}

                                                         

_{^{м , м , мм ,     мм ,   мм .}}

 

Найдем среднюю толщину  стенки цилиндра:

 

_{;                                      ( 7 )}