Расчет потенциометрического датчика

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.

Интересное из раздела

Блок горизонтального отклонения электронно-лучевого осциллографа
Проектирование блока горизонтального отклонения электронно-лучевого индикатора предусматривает расчет следующих функциональных блоков схемы: ü Гене ...

Взаимодействие сигналов контроля в сети NGSDH с трактами VC-12
Телекоммуникации всегда были одной из бурно развивающихся отраслей. С момента зарождения и до нашего времени, сети электросвязи прошли через целый ряд революц ...

Датчики
...