Щепотов А.Г., Строганов Д.А. Основы проектирования приборов и систем

31

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ПР-1 «Приборы и информационно-измерительные системы»

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИБОРОВ

И СИСТЕМ

Методические указания к курсовому проекту

ИНДУКТИВНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ

ПРИБОР

Москва 2011

УДК 62(075.8)

ББК 34.9-02я73 Щ565

Рекомендовано к изданию в качестве учебно-методического пособия

редакционно-издательским советом МГУПИ

Рецензент:

д.т.н.,проф. Н.Г. Назаров

А.Г. Щепетов, Д.А.Строганов

Основы проектирования приборов и систем: методические указания к курсовому проекту «Индуктивный измерительный прибор» – М.: МГУПИ, 2011. – 31 с.

Даны сведения о целях, задачах, структуре и содержании основных разделов курсового проекта на тему «Индуктивный измерительный прибор» по дисциплине «Основы проектирования приборов и систем».

Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 200101 «Приборостроение», изучающих дисциплину «Основы проектирования приборов и систем».

© МГУПИ, 2011

© А.Г. Щепетов, Д.А. Строганов, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

1. Цель проекта …………………………………………………………… 3

2. Структура проекта ………………………………………………………3

3. Описание объектов проектирования ………………………………….. 5

4. Характеристики объектов проектирования ………………………… 13

1. Статические характеристики ……………………………………13

2. Динамические характеристики ………………………………… 17

1. Расчет элементов прибора …………………………………………… … 19

1. Расчет предварительного преобразователя …………………… 19

2. Расчет индуктивного преобразователя ………………………. .. 20

3. Расчет схемы включения ………………………………………. 22

4. Расчет корректирующего звена ……………………………….. 23

1. Расчет и анализ погрешностей …………………………………………. 23

2. Расчет и анализ надежности ……………………………………………. 27

Литература ………………………………………………………………31

1. Цель проекта

Целью курсового проекта (КП) является разработка схемы и конструкции индуктивного измерительного прибора (ИНДИП), предназначенного для измерения заданной физической величины.

2. Структура проекта

Курсовой проект содержит расчетно-пояснительную записку и графическую часть. Расчетно-пояснительная записка имеет следующие разделы:

1. Введение;

2. Постановка задач проектирования;

3. Техническое задание (ТЗ);

4. Обзор;

5. Принцип действия прибора;

6. Структурно-математическая модель прибора;

7. Расчет элементов;

8. Расчет выходных характеристик;

9. Расчет и анализ погрешностей;

10. Расчет надежности;

11. Особенности конструкции и эксплуатации прибора;

12. Заключение;

13. Список использованных источников;

14. Приложение.

В разделе 1 (Введение) обосновывается актуальность задач, связанных с измерением заданной физической величины.

В разделе 2 (Постановка задач проектирования) указывается область применения прибора, излагаются основные задачи проекта, приводятся исходные данные на проектирование.

В разделе 3 (Техническое задание) излагаются назначение, комплектность и условия эксплуатации прибора, его технические, метрологические и эксплуатационные характеристики, требования по ремонту и техническому обслуживанию.

В разделе 4 (Обзор) на основе анализа литературных источников, Интернет, патентных и других материалов рассматриваются измерительные устройства (преобразователи, приборы и системы), которые можно использовать для измерения заданной физической величины, анализируются области их применения, роль, место и особенности применения индуктивных измерительных устройств для решения поставленной задачи.

В разделе 5 (Принцип действия прибора) дается описание принципиальной схемы прибора и физического принципа действия всех его элементов.

В разделе 6 (Структурно-математическая модель прибора) разрабатывается математическая модель прибора для статического, динамического и возмущенного режимов измерений, определяются желаемые значения ее параметров.

В разделе 7 (Расчет элементов) выполняется расчет основных элементов прибора: предварительного преобразователя, индуктивного преобразователя, схемы включения, элементов цепи промежуточных преобразователей и др. с учетом требований ТЗ и результатов синтеза структурно-математической модели прибора, полученных в п.6.

В разделе 8 (Расчет выходных характеристик) анализируются графики выходных статических и динамических характеристик основных элементов прибора и прибора в целом. С их помощью оценивается выполнение соответствующих требований ТЗ на проектирование.

В разделе 9 (Расчет и анализ погрешностей) определяется максимальная приведенная погрешность прибора, проводится анализ ее структуры, разрабатываются мероприятия по снижению составляющих суммарной погрешности до уровня, обеспечивающего выполнение требования ТЗ к допустимой погрешности измерений.

В разделе 10 (Расчет и анализ надежности) определяется расчетная оценка вероятности безотказной непрерывной работы прибора в течение заданного промежутка времени. Если она менее требуемого значения этой вероятности, то разрабатываются мероприятия по повышению надежности.

В разделе 11 (Особенности конструкции и эксплуатации) описываются конструкторские чертежи и мероприятия по ремонту и эксплуатации прибора.

В разделе 12 (Заключение) излагаются основные результаты и выводы, полученные при проектировании.

В разделе 13 (Список использованных источников) дается список использованных литературных и иных источников. Ссылки на эти источники должны даваться по ходу изложения пояснительной записки.

В разделе 14 (Приложение) даются распечатки программ (Mathcad – файлов и др.), используемых при выполнении расчетов и материалы, иллюстрирующие ход и результаты проектирования: аннотация, доклад, презентация и пр.

Графическая часть проекта содержит три листа:

Лист 1 – схемы (функциональная, принципиальная и структурная), поясняющие состав основных элементов, принцип действия и математическую модель прибора ;

Лист 2 - основные формулы, алгоритмы, графики, таблицы и другие материалы, поясняющие постановку решаемых задач, последовательность и результаты расчетов.

Лист 3 – общий вид прибора, конструкция основных узлов.

Примечание: графическую часть курсового проекта допускается выполнять в электронном виде и включать в презентацию доклада.

3. Описание объектов проектирования

Объектом проектирования является индуктивный измерительный прибор (ИНДИП). Специфической особенностью таких приборов является наличие в них индуктивного измерительного преобразователя ( ), с помощью которого измеряемая физическая величина , воздействуя на подвижный элемент преобразователя (якорь), преобразуется в изменение полного электрического сопротивления катушки (или двух катушек в случае дифференциального индуктивного преобразователя).

Индуктивные преобразователи имеют простую конструкцию, малую инерционность, незначительные габариты и массу, большую выходную мощность, а также достаточно малую чувствительность к изменениям условий эксплуатации. Они обладают большой надежностью, относительно дешевы, технологичны в изготовлении и не требуют для своего производства дефицитных материалов. Их можно использовать для измерения не только линейного перемещения, но и других физических величин, которые можно преобразовать в перемещение с помощью различных предварительных преобразователей. В качестве примера на рис. 1 показано применение для измерения давления (рис. 1,а), ускорения (рис. 1,б) и силы (рис. 1,в). В качестве предварительных преобразователей (и чувствительных элементов) в этих случаях используются, соответственно, мембрана 1, инерционная масса 2 и кольцевой упругий элемент 3.

Рис. 1. Схемы предварительных преобразователей.

В соответствии с индивидуальным вариантом задания, разрабатываемый индуктивный прибор служит для измерения заданной физической величины (давления, перемещения, силы или ускорения) и строится по схеме прямого или уравновешивающего преобразования, которое может быть компенсационным или следящим . Соответствующие приборы обозначаются аббревиатурами ИНДИП-ПП, ИНДИП-КП и ИНДИП-СП. Функциональные схемы таких приборов показаны на рис. 2,а, рис. 2,б и рис. 2,в соответственно.

В приборах прямого преобразования (рис. 2,а) измеряемая величина с помощью предварительного преобразователя преобразуется в перемещение якоря дифференциального индуктивного преобразователя , что приводит к изменению сопротивлений и его катушек . Катушки являются элементами мостовой схемы переменного тока (схемы включения ). При изменении сопротивлений катушек в измерительной диагонали моста появляется электрическое напряжение , являющееся частью напряжения питания моста . Его амплитуда зависит от степени разбаланса моста (т.е. от измеряемой величины ), фаза - от знака разбаланса, а частота совпадает с частотой напряжения питания моста. Совокупность и образует дифференциальный индуктивный датчик перемещения . Он является наиболее ответственным элементом любого индуктивного прибора. Последующие звенья прибора (усилитель-преобразователь , демодулятор и корректирующее звено ) образуют цепь промежуточных преобразователей , с помощью которых выходной сигнал индуктивного датчика преобразуется в напряжение постоянного тока . Это напряжение поступает на вход отсчетного устройства (цифрового или стрелочного). Его роль выполняет вольтметр, шкала которого отградуирована в единицах измеряемой физической величины .