Проектирование АСУТП развальцовки (стр. 5 из 9)

Требуемая чувствительность измерений предопределяет выбор тензорезисторов проводникового или полупроводникового типа. При этом следует иметь в виду,, что высокочувствительные полупроводниковые тензорезисторы для целей так называемой общей тензометрии мало пригодны из-за существенной величины температурных и других погрешностей.

Разброс метрологических характеристик тензорезисторов увеличивается как с уменьшением, так и с увеличением базы. В первом случае увеличение разброса вызвано ухудшением условий передачи деформации на решетку, во втором — трудностями, связанными с надежным закреплением большебазных тензорезисторов на поверхности объекта исследования. По этим причинам во всех случаях, когда позволяют задачи исследований, применяют тензорезисторы с базами от 5 до 50 мм. Выбирая малобазные, особенно микропроволочные тензорезисторы, необходимо иметь в виду, что габаритная длина последних может в 1,5—2,5 раза превышать активную базу.

Номинальное сопротивление тензорезисторов прежде всего должно соответствовать входным данным применяемых тензометрических преобразователей или приборов. При тензометрировании машин чаще всего применяют тензорезисторы с номинальным сопротивлением 100—400 Ом.

При меньших величинах номинальных сопротивлений начинает в большей степени сказываться влияние переходных сопротивлений различных контактов, входящих в измерительные цепи (например, токосъемников или штепсельных разъемов), а также влияние сопротивлений измерительных проводов. Поэтому лучше использовать тензорезисторы с большими номинальными сопротивлениями. Вместе с тем чрезмерно большие сопротивления (более 400 Ом) являются причиной увеличения уровня электрических и магнитных помех. Меньшие значения номинальных сопротивлений выбирают только при тензометрировании без усилителей, когда требуется согласовать выходное сопротивление моста с критическим сопротивлением прибора, например гальванометра.

Исходя из вышеизложенных соображений необходимо выбрать тензорезистор. Так как в задании уже задан тип тензорезистора, то исходя из расчета выбираем полупроводниковый тензорезистор Ю-8А:

– Номинальная тензочувствительность +100

– Номинальное сопротивление: R = 220 Ом;

– Рабочий ток: I = 10 мА;

– Габаритные размеры: l = 2 мм, L = 3 мм, b = 0,3 мм;

4.1.3 Определение напряжения питания тензорезистивного преобразователя

Напряжение питания полумоста рассчитывается по формуле:

где

- номинальный ток тензорезистора;

- эквивалентное сопротивление схемы.

Рисунок 2 – Включение тензорезисторов (R1 иR4) по схеме полумоста дополненного до моста стабильными резисторами R2 и R3

Эквивалентное сопротивление берётся из соображения, что напряжение питания прикладывается к двум параллельно соединённым ветвям (R1-R4 и R2-R3). При равенстве сопротивлений по каждой из этих ветвей протекает номинальный ток тензорезистора.

Зададим номинальный ток тензорезистора как 0.7…0.8 от максимального, тогда напряжения питания будет равно:

Принимаем напряжение питания тензорезистора от стабилизированного источника питания 5В.

4.1.4 Обоснование геометрических параметров месдозы

Проверим заданную толщину месдозы по допустимым касательным напряжениям.

Рисунок 3 – Схема поперечного сечения месдозы

Для трубчатого вала

M_кр – крутящий момент на валу;

D – внешний диаметр месдозы;

d– внутренний диаметр.

По условию прочности должно выполняться условие:

Для стали 45X допустимое [t]=240 МПа.

Толщина месдозы:

Из данных формул можно вывести минимально-допустимую толщину месдозы.

Подставим в данную формулу числовые значения и рассчитаем минимально-допустимую толщину месдозы:

По условию d=2мм, что удовлетворяет условию с некоторым запасом прочности, что приведет к уменьшению чувствительности датчика, но предотвратит возможность разрушения месдозы вследствие действия других сил, возникающих при наклеивании тензорезисторов и монтаже месдозы.

Оценку коэффициента преобразования при измерении момента силы делают путем расчета. Однако такой способ рекомендуется только в тех случаях, когда полностью исключена возможность градуировки тензометрируемого вала.

Для расчетов используют следующие соотношения:

для сплошного вала

для полого (трубчатого) вала

где М — измеряемый крутящий момент, Нм;

D — наружный диаметр вала, мм;

d — внутренний диаметр вала, мм;

a — угол между осью наклонного тензорезистора и образующей вала;

G — модуль сдвига, ГПа.

Деформация лежит в допустимых пределах ±3 тыс.еод, следовательно разрушения тензорезистора не произойдет.

Рассчитаем сигнал с выхода тензометрического моста:

где Uп – напряжение питания датчика.

DR – изменение сопротивления тензорезистора.

R – сопротивление плеча моста.

Так как датчик питается от стабилизированного источника питания 5В то U_пит=5В. Относительное приращение сопротивления тензорезисторов находим по известному коэффициенту преобразования и тензочуствительности.

Тензочуствительность S_T находим по графику. S_T=2,1

Таким образом, максимальный диапазон изменения напряжения на выходе датчиков очень мал. Полученное напряжение необходимо усилить с помощью специальных усилителей, что не входит в задание данного проектирования, и поэтому считаем, что сигнал нормализован и его можно подавать на микроконтроллер.

4.1.5 Компоновка датчика крутящего момента

Определение величины моментов сил (крутящих моментов) в приводах и трансмиссиях машин с помощью тензорезисторов производят тремя способами: непосредственным измерением деформаций закручивания вала исследуемого механизма; измерением окружной силы, передаваемой специальным силоизмерителем, встроенным в трансмиссию, и, наконец, специальным тензометрическим преобразователем крутящего момента.

Первый способ прост, однако далеко не на каждый вал можно наклеить тензорезисторы; кроме того, некоторые валы выполняют с большим запасом прочности, что уменьшает измеряемые деформации, увеличивая тем самым погрешность измерения.

Второй и третий способы обеспечивают наибольшую точность, но требуют демонтажа и даже временного (частичного) изменения конструкции исследуемого узла или разрыва силовой цепи, что не всегда осуществимо.

Встроенный силоизмеритель или преобразователь крутящего момента может быть подобран нужной чувствительности и точно проградуирован.

Могут быть также наклеены четыре тензорезистора, соединенные по схеме полного моста. Тензорезисторы, воспринимающие деформации одного знака, включают в противоположные плечи мостовой схемы.

Рисунок 4 – Конструкция преобразователя крутящего момента

4.1.6 Разработка электрической принципиальной схемы датчика крутящего момента

Электрическая принципиальная схема представлена в приложении А.

Электрическая принципиальная схема датчика крутящего момента может быть реализована путем соединения тензорезисторов по схеме полумоста, дополненного до полного моста стабильными резисторами, установленными в корпусе датчика. Примем конструкцию датчика с двумя тензорезисторами Rl, R4, расположенными на месдозе и обычных резисторов R2, R3 расположенных вне месдозы и образующих при соединении через щетки и кольца по электрической схеме на рисунке 4 мост.

4.2 Разработка датчика угла поворота

4.2.1 Анализ существующих датчиков измерения угла поворота

В зависимости от способа представления измеряемого сигнала выделяют аналоговые и цифровые датчики угла поворота. Информация, представленная в цифровом виде, удобна для обработки, поэтому цифровые датчики получили наибольшее распространение. Поскольку в разрабатываемой АСУТП для обработки измерительной информации используется микроконтроллер, то рассматривать будем только цифровые датчики.