Щепотов А.Г., Строганов Д.А. Основы проектирования приборов и систем, страница 3

Рис. 9. Пример схемы ИНДИП-КП

4. Характеристики объектов проектирования

Выходными характеристиками разрабатываемого прибора являются его статическая характеристика, передаточная функция, погрешность результатов измерений и надежность (вероятность безотказной работы в течение заданного промежутка времени).

4.1. Статические характеристики

Для расчета статической характеристики прибора нужно знать его структурную схему и статические характеристики всех его звеньев.

Зависимость перемещения якоря ДИП от измеряемой физической величины во многих случаях можно считать линейной, т.е. имеющей вид

, (1)

где - коэффициент передачи (чувствительность) предварительного преобразователя, зависящий от его параметров.

Зависимость сопротивлений катушек ДИП от перемещения якоря указана в табл. 1. Для разных типов преобразователей эта зависимость разная. В таблице используются следующие обозначения: - перемещение якоря; - начальное сопротивление катушки; - постоянные коэффициенты, зависящие от параметров ДИП; - функции преобразования одинарных преобразователей.

Таблица 1. Расчетные статические характеристики ДИП.

На рис. 10 показаны графики этих функций для симметричного диапазона измерений , где - максимальное перемещение якоря. Сплошными кривыми показаны графики функций , пунктирными - . Видно, что статические характеристики ДЗИП вогнутые, статические характеристики ДПИП выпуклые, а статические характеристики ДСИП, в отличие от первых двух, при имеют точку перегиба.

(ДЗИП) (ДПИП) (ДСИП)

а) б) в)

Рис. 10. Статические характеристики

Зависимость амплитуды напряжения в измерительной диагонали моста от сопротивлений катушек ДИП и имеет вид (см. рис. 4)

- для ПОСМ ; (2)

- для ПРСМ , (3)

где - амплитуда напряжения питания; - входное сопротивление усилителя.

Статические характеристики остальных элементов прибора считаются линейными. Зная эти характеристики, можно определить общую статическую характеристику прибора. В зависимости от состава элементов и способа построения (типа) прибора эта характеристика приводится к одному из следующих выражений

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

где - постоянные коэффициенты, зависящие от параметров прибора.

На рис. 11 показаны статические характеристики прибора (5), (6), (7) для оптимальных значений этих коэффициентов. В этом случае максимальные отклонения статической характеристики прибора от желаемой характеристики равны друг другу по величине.

а) б) в)

Рис. 11. Оптимальные статические характеристики прибора

Если статическая характеристика прибора линейная (т.е. имеет вид (4)), то выбор параметров прибора, влияющих на значение коэффициента , следует подчинить условию . Если она описывается выражениями (5), (6), (7), то оптимальные значения коэффициентов и соответствующее значение максимальной приведенной погрешности от нелинейности статической характеристики прибора вычисляются по формулам табл.2. Эти формулы справедливы для симметричного диапазона измерений . Если диапазон измерений односторонний, т.е., если , то значение погрешности , указанное в таблице 2, удваивается. Значения коэффициентов при этом не изменяются.

Таблица 2. Оптимальные параметры статической характеристики

ИНДИП

Погрешность от нелинейности может превышать допустимое значение этой погрешности (в курсовом проекте оно принимается равным половине допустимой погрешности измерений). Для снижения этой погрешности используется включение в схему прибора аналогового корректирующего звена или цифровая коррекция показаний прибора с помощью микроконтроллера, который включается в схему цифрового отсчетного устройства.

4.2. Динамические характеристики

В динамическом режиме измерений перемещение якоря ДИП изменяется во времени. Таким, например, является режим, при котором поверхность объекта измерений, контактирующая с измерительным наконечником ДИП, совершает колебания по гармоническому закону . В этом случае усилие поджатия наконечника к контролируемому объекту (измерительное усилие) должно удовлетворять условию

. (8)

В противном случае возможно нарушение контакта измерительного наконечника с объектом измерений. Поэтому при использовании ДИП с кинематическим замыканием измерительной цепи полоса частот измерительного сигнала не должна превышать критического значения , определяемого по формуле

, (9)

где - масса измерительного наконечника.

Условие (11) не освобождает измерительный сигнал от динамических искажений в последующих звеньях прибора. Для их описания и оценки используется передаточная функция прибора.

На рис. 12 показаны структурные схемы ИНДИП: прямого преобразования (рис. 12, а), уравновешивающего компенсационного преобразования (рис. 12, б) и уравновешивающего следящего преобразования (рис. 12, в). На этих схемах используются следующие обозначения: - передаточные функции звеньев прибора: предварительного преобразователя (чувствительного элемента), индуктивного датчика, цепи промежуточных преобразователей, двигателя, цепи обратной связи, отсчетного устройства; - коэффициенты передачи звеньев, полученных в результате линеаризации статической характеристики (2), (3) схемы включения (СВ) [1]. Зная их, можно определить передаточную функцию прибора. В зависимости от индивидуального варианта задания она аппроксимируется одним из трех выражений

, (10)

, (11)

, (12)

где - постоянные времени; - относительный коэффициент демпфирования.

а)

б)

в)

Рис. 12 Структурные схемы ИНДИП:

а - индуктивного измерительного прибора прямого преобразования (ИНДИП-ПП);б - индуктивного измерительного прибора уравновешивающего компенсационного преобразования (ИНДИП-КП); в - индуктивного измерительного прибора уравновешивающего следящего преобразования (ИНДИП-СП).

Вид передаточной функции прибора и исходные значения ее параметров даны в задании на проектирование вместе с требованиями, предъявляемыми к динамическим характеристикам прибора. К ним относятся форма и показатели качества переходного процесса, форма амплитудно-частотной характеристики ИУ, ширина полосы пропускания частот, интегральные показатели качества переходного процесса и пр. Состав этих требований индивидуален. При разработке структурно-математической модели прибора (раздел 6) необходимо:

1. Для исходных (заданных) значений параметров передаточной функции прибора определить те показатели динамической точности прибора, к которым предъявляются требования;

2. В случае невыполнения всех или некоторых из этих требований определить желаемые значения параметров передаточной функции прибора;

3. Выбрать способ реализации и схему корректирующего звена (аналоговое, цифровое);

4. Определить параметры корректирующего звена;

5. Расчетами подтвердить выполнение требований к динамическим характеристикам прибора.

В работах [1;2,Часть 1] рассмотрены способы решения этих задач.

5. Расчет элементов прибора

Расчету подлежат следующие элементы прибора: предварительный преобразователь, индуктивный преобразователь, схема включения и корректирующее звено. Остальные элементы прибора рассматриваются как покупные изделия, имеющие необходимые характеристики.

Расчеты выполняются на ПЭВМ с использованием компьютерных технологий и программ, которые выбираются самостоятельно. Рекомендуется выполнять расчеты с применением программы Mathcad. Распечатки файлов размещаьтся в Приложении, а расчетные схемы, алгоритмы и результаты расчетов – в пояснительной записке (раздел 7).

1. Расчет предварительного преобразователя

Схема, конструкция и параметры предварительного преобразователя (ПП) выбираются и рассчитываются так, чтобы получить желаемое перемещение якоря ДИП , соответствующее максимальному значению измеряемой величины (давления, ускорения, силы, перемещения) . Для индуктивных преобразователей разного типа его выбирают из диапазонов: ДЗИП мм, ДПИП мм, ДСИП мм с учетом допустимых габаритов предварительного преобразователя и возможности его изготовления. Соответствующее желаемое значение коэффициента передачи ПП, зависящее от параметров предварительного преобразователя, равно

. (13)

Например, если объектом проектирования является индуктивный манометр с диапазоном измерений кПа и дифференциальным индуктивным преобразователем с переменной величиной воздушного зазора (ДЗИП), то расчет ПП (мембраны или мембранного блока) выполняется так, чтобы его статическая характеристика была линейной и не нарушалось условие мм, где кПа.

5.2. Расчет индуктивного преобразователя

На рис. 13 показаны расчетные схемы используемых индуктивных преобразователей: с переменной величиной воздушного зазора (ЗИП) – рис. 13,а, с переменной площадью воздушного зазора (ПИП) – рис. 13,б и соленоидного типа (СИП) – рис. 13,в. Дифференциальные преобразователи состоят из двух соответствующих одиночных преобразователей (см. рис. 3).