Проектирование датчика

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Датчики (первичные измерительные преобразователи) применяют для измерения параметров технологического процесса путем взаимодействия и преобразования этого взаимодействия в электрические, пневматические, механические и другие сигналы. В настоящее время известны множества явлений, эффектов, видов преобразования свойств и энергии, которые используются в датчиках.

По принципам действия датчики базируются на известных физических или химических явлениях и свойствах. Например: теплопроводности, пьезоэлектрического эффекта, электротермического эффекта Пельтье, фотогальванического эффекта и т.п. При изменении параметров технологического процесса на выходе датчика появляется изменение сопротивления проводника, ЭДС, давления, угла поворота, линейного перемещения и т.п.

По назначению датчики можно разделить на универсальные и специализированные. Универсальные датчики используют для измерения нескольких различных по природе физических величин. Например, давления, расхода жидкостей и газов, уровня, температуры и т.п. Специализированные датчики применяют для измерения одной физической величины. В практике управления технологическими процессами строительного производства широкое применение получили универсальные датчики ГСП.

По методам преобразования измеряемой величины в унифицированный сигнал ГСП датчики делят на компенсационные и параметрические. В компенсационных датчиках чаще всего используется силовая и магнитная компенсация изменения измеряемой величины. Параметрические датчики получают унифицированный выходной сигнал благодаря строгой стабилизации напряжения источника питания.

Датчики с силовой компенсацией используются для непрерывного преобразования измеряемой величины - температуры, давления, уровня и т.п. в электрический или пневматический унифицированный выходной сигнал. По принципу действия датчики с силовой компенсацией воспринимают измеряемую величину, преобразуя ее в усилие, и компенсируют это усилие устройством силовой обратной связи.

Примером датчика с силовой компенсацией является тензо-датчик для взвешивания компонентов бетонных и растворных смесей.

Силовая компенсация датчика осуществляется упругими балками, закрепленными на опорах. При этом усилие, подающееся через весоприемный стержень, изгибает балки с наклеенными на них тензосопротивлениями. В зависимости от деформации тензосопротивления изменяется электрическое сопротивление, которое регистрируется и на основании тарировочной зависимости преобразуется в усилие.

Тарировочная зависимость датчика определяет значение измеряемой величины от выходного сигнала датчика.

По виду тарировочной зависимости датчики разделяют на линейные и нелинейные. В группе датчиков с нелинейной тарировочной зависимостью выделяются квадратичные датчики, у которых выходной сигнал у пропорционален корню квадратному из значения входного сигнала х.

Датчики с магнитной компенсацией по принципу действия аналогичны датчикам с силовой компенсацией. Датчики содержат неподвижный и подвижный магнитопроводы, обмотки индикатора равновесия, обратной связи и компенсационные обмотки.

Параметрические датчики получают выходной сигнал за счет изменения сопротивления, индуктивности или других параметров первичного преобразователя. К таким датчикам относятся тензорезисторы, индуктивные, трансформаторные, емкостные, магнитоупругие и др.

В тензорезисторных датчиках ГСП чаще всего используют металлические и полупроводниковые чувствительные элементы. Отметим, что чувствительность полупроводниковых датчиков в 50… 70 раз выше, чем у металлических.

Основной характеристикой датчиков является тензочувстви-тельность, определяющая изменение сопротивления тензодатчика в зависимости от изменения длины проводящего материала.

Тензодатчики с металлическим чувствительным элементом (проволочные, пленочные, фольговые) выполняются на бумажной подложке и представляют собой петлеобразную конструкцию.

Тензодатчик с помощью специального клея наклеивается на исследуемую конструкцию, деформация которой воспринимается чувствительным элементом датчика. Базой тензодатчика а называется длина одной петли. Промышленность серийно выпускает тензодатчики с базой 2… 400 мм и сопротивлением 30…… 500 Ом. Выходной сигнал - сопротивление определяется подключением выводов датчика к мостовой измерительной схеме.

Тензосопротивление R устанавливают на исследуемую конструкцию и в другое плечо мостовой схемы для компенсации температурной погрешности.

В случаях, когда требуется высокая точность измерений малых перемещений, а следовательно, сил и давлений, в конструкциях применяют полупроводниковые тензорезисторные датчики. Конструктивно полупроводниковые тензорезисторные датчики реализуются напылением кремния на сапфировую подложку. Подложка выполнена в форме диска диаметром 20 мм.

Изменение сопротивления такого датчика, жестко связанного с упругим элементом, мации продольные, поперечные и сдвиговые; R-номинальное сопротивление датчика.

Преобразователи, построенные на базе тензометрических датчиков, применяют для измерения малых перемещений, давления и сил.

Тензометрические датчики размещают (наклеивают) на тензомодулях рычажно-мембранного, мембранного и других типов.

1. Описание процесса дозирования

дозирование мостовой усилитель логистический

Жидкость на автоматизированных бетоносмесительных установках дозируется дозатором АВДЖ-425/1200М. На раме установлены два впускных затвора с пневмоцилиндрами. К раме на подвесках подвешена рычажная система, состоящая из грузоприемных рычагов, передаточных рычагов, тяги. Площадка, на которой установлен циферблатный указатель, прикреплена к раме на стяжках. Циферблатный указатель соединен с рычажной системой при помощи тяги. К рычажной системе на крюках подвешен весовой бункер с выпускным затвором и пневмоцилиндром. На раме укреплен воздухораспределительный шкаф с распределителями, соединенными с пневмоцилиндрами резино-тканевыми напорными рукавами. Для блокировки впускных и выпускного затворов на дозаторе установлены конечные выключатели. Для гашения колебаний рычажной системы внизу под циферблатным указателем укреплен демпфер, закрытый кожухом.

Работает дозатор в следующей последовательности. Сигнал о начале дозирования воды поступает с пульта управления

к воздухораспределителю, который открывает доступ сжатого воздуха в пневмоцилиндр. Пневмоцилиндр открывает затвор, и вода через впускное устройство поступает в весовой бункер. Сигнал об окончании загрузки от задатчика веса циферблатного указателя поступает на пульт управления. Воздухораспределитель отключается, пневмоцилиндр срабатывает и закрывает затвор, прекращая доступ воды в бункер. В случае необходимости отвеса жидкой добавки автоматически включается второй воздухораспределитель, управляющий пневмоцилиндром второго впускного затвора, который открывает доступ добавки в весовой бункер. Сигнал об окончании загрузки вторично от задатчика веса циферблатного указателя поступает на пульт управления. Воздухораспределитель отключается, пневмоцилиндр закрывает затвор.

После получения с пульта управления сигнала, разрешающего выгрузку из весового бункера, автоматически включается воздухораспределитель, управляющий пневмоцилиндром выпускного затвора, затвор открывается и содержимое весового бункера выгружается. Циферблатный указатель УЦК представляет собой стандартный квадрантный указатель с дополнительным устройством в виде задатчиков веса порций. Конструкция задатчика порций для всех приборов унифицирована. Задатчик устанавливают с лицевой стороны циферблатного указательного прибора. Весовая стрелка закреплена на удлиненной оси, проходящей через отверстие. На оси закреплен флажок (экран). При движении стрелки флажок проходит через рабочий зазор бесконтактных электронных датчиков. Задающие стрелки (их может быть шесть) переставляются с помощью рукояток, закрепленных на оси снаружи задней крышки указателя.

При вращении каждой из рукояток поворачивается соответствующая шестерня, находящаяся в зацеплении с одним из зубчатых дисков, на которых закреплены задающие стрелки с датчиками. Между дисками помещены неподвижные прокладки. Трение между ними, необходимое для предотвращения самопроизвольного вращения задающих стрелок. создается усилием трех пружин. Задатчик прикреплен к рамке четырьмя винтами. На тыльной стороне рамки квадрантов на кронштейне установлен микропереключатель, который срабатывает под действием мостика при подходе стрелки к последним делениям шкалы. Микропереключатель отключает всю автоматическую систему загрузки материалов в случае аварии прибора. Циферблатный указатель УЦК снабжен одним штепсельным разъемом для внешних соединений с датчиками БК и микропереключателем. При установке сельсина указатели УЦК имеют кроме задатчика веса сельсин-датчик, вал которого через муфту соединен с задней удлиненной цапфой оси стрелки. Сельсин укреплен в стакане двумя накладками, а стакан четырьмя винтами привернут к рамке с задней стороны.

В стакане предусмотрены окна для доступа к муфте. Циферблатный указатель имеет по два штепсельных разъема. К одному из них подключены датчики БК задающих стрелок и микропереключатель, к другому - сельсин-датчик. Установка сельсин-датчика позволяет дистанционно наблюдать за работой дозирующей системы (при помощи сельсин-приемника, установленного на пульте управления). Пневмоцилиндрами, приводящнми в действие впускные и выпускные затворы дозаторов, управляют при помощи электровоздушного клапана. К штуцерам подсоединены отверстия пневмоцилиндров Сжатый воздух через штуцер подводится к одной полости пнев-моцилиндра. При этом другая полость его через отверстие соединена с атмосферой. При включении электромагнита плунжер, перемещаясь вверх, отъединяет штуцер от штуцера и соединяет его со штуцером. Одновременно перекрывается отверстие и в полость цилиндра, которая ранее была соединена с атмосферой, поступает сжатый воздух. В это время вторая полость цилиндра через штуцер соединяется с атмосферой.

Для автоматизированных бетоносмесительных установок цикличного действия блочной конструкции применяют комплекты дозаторов, состоящие из дозатора для цемента, многофракционного дозатора для заполнителей и дозатора для воды.

2. Описание функциональной схемы

Функциональна схема состоит из следующих элементов: стального упругого элемента, на котором подвешен весовой бункер; к бункеру подведены два трубопровода (один для загрузки его жидкой добавкой, а второй для разгрузки), которые контролируются исполнительными механизмами; (сигнал о начале дозирования воды поступает с пульта управления посредством нажатия кнопки, а весь процесс начинается с опустошения бункера) для выгрузки бункера логическое управляющее устройство YD посылает команду аппаратуре управления NS исполнительным механизмом М для открытия задвижки; кода бункер опустеет, сопротивление тензодатчика WE станет таким, что выходной сигнал с усилителя xK совпадёт с сигналом от задающего устройства HP и логическое управляющее устройство YD посылает команду на закрытие; после этого логическое управляющее устройство YD посылает команду на заполнение бункера, которое будет продолжаться до тех пор, пока сопротивление тензодатчика WE станет таким, что выходной сигнал с усилителя xK совпадёт с сигналом от задающего устройства HP на определённую массу жидкой добавки и логическое управляющее устройство YD пошлёт команду аппаратуре управления NS исполнительным механизмом М для закрытия задвижки, отвечающей за заполнение; положение вентилей контролируется оптическими датчиками положения GE, сигналы от которых поступают к управляющему устройству YD и необходимы для логического управления.

3. Расчёт мостовой измерительной схемы и упругого элемента

Мостовая измерительная схема состоит из n тензодатчиков, количество которых можно рассчитать по следующей формуле:

I=U / 2 (R₀n)<=I_доп => n= U / 2R₀I_доп

n=15 /2•100•25•10^-3=3 шт.

R₂=R₃= R₄=R₀=100 Ом R_BK1… R_BK3=100 Oм R1=300 Oм

Материалом упругого элемента явл. сталь40, для которой у_доп=550МПа при у_т=650МПа. Схема упругого элемента приведена на рис. 1.

Рис. 1

Принимаю положение датчика от точки приложения силы на расстоянии l=1 м.

е_маx= у_доп / E

е_маx=550/2•10⁵=0,00275

у=М / W_x=(12•P•l / b•h³)•(h / 2)=6•P•l /h³

Принимаю 6h=b => у = P•l /h³ = > h = (P•l / у)^1/3

h = (100•9.81•1000 / 550)^1/3 =12 мм.

b=6•12=72 мм.

W_x= (b•h³ /12) / (h / 2) = (12•6³ / 12) / (6 / 2)=1728 ммі.

Определим напряжения, возникающие при заполнении бункера

у _пуст= P•l / W_x=50•9,81•1000 / 1728=284МПа

е _пуст=284/2•10⁵=0,00142

у _min= 60•9,81•1000 / 1728=341МПа

е _min=341/2•10⁵=0,00171

у _min= 100•9,81•1000 / 1728=568МПа

е _min=568/2•10⁵=0,00284

4. Расчёт усилителей

Изменение сопротивления датчиков составляет:

?R₀= R₀•е•k_т

?R_{0 пуст} = 100•0.00142•2.2=0.31 Ом

?R_{0 min} = 100•0.00171•2.2=0.38 Ом

?R_{0 max} = 100•0.00284•2.2=0.63 Ом

Выходное напряжение со схемы

U_вых=U•?R₀•n / (2•R₀+?R₀•n)

U_{вых пуст}=15•0.31 / (2•100+0.31)=23мВ.

U_{вых min}=15•0.38 / (2•100+0.38)=28мВ.

U_{вых max}=15•0.63 / (2•100+0.63)=47мВ.

Коэффициент усиления принимаю таким, чтобы мах выходное напряжение было примерно до 15В.

U_{вых max}=K_y• U_вых=0.047•200=9.4B => принимаю K_y=200.

U_п=(3/2)• U_вых=(3/2)•9.4=14.1В => принимаю U_п=15В.

Т.к. R7= R5=1кОм, то R9= R6=200кОм

Принимаю усилитель К140УД8.

5. Расчёт схемы суммирования

Схема суммирования состоит из двух компараторов, один из которых выдаёт логическую 1 при пустом бункере, второй позволяет задавать необходимую массу дозируемой жидкости с помощью потенциометра.

Для пустого бункера:

(R14+R13)/R14=U_П/ U_{вых пуст}

Пусть R14=1кОм, тогда R13= U_П/ U_{вых пуст} -1

R13=15/4.6 - 1= 2.26кОм.

Принимаю R13=2.4 кОм подстроечное.

Расчёт резисторов R10…R12 произвожу аналогично, приняв равными R10 и R12.

(2•R10+R11)/R11=U_П/ (U_{вых max} - U_{вых min})

(2•R10+R11)/R11=U_П/ (U_{вых max} - U_{вых min})

Пусть R11=2кОм, тогда R10= R12=2.947 кОм.

Принимаю R10= R12=3 кОм подстроечные.

Компараторы строю на основе операционных усилителей К140УД8.

6. Проектирование логического управляющего устройства

Логическое управляющее устройство управляет процессами с помощью логических операций посредством элементов логического умножения, в которых совпадение определённых параметров вызывает появление логической 1 и влечёт за собой выполнение заданного действия.

В процессе дозирования в соответствии с функциональной схемой к

логическому управляющему устройству YD поступает 4 сигнала: х1…х4.

Весь процесс дозирования можно разбить на следующие простые действия:

Y1» открытие вентиля и опустошение бункера

YЇ1» закрытие вентиля

Y2» открытие вентиля и загрузка бункера

YЇ2» закрытие вентиля загрузки

Также потребуется элемент памяти с

Yz» включение памяти

YЇz» выключенная памяти

х1=1 сигнал от наполненного бункера

х2=1 сигнал от пустого бункера

х3=1 сигнал от закрытого вентиля разгрузки

х4=1 сигнал от закрытого вентиля загрузки

х01=1 сигнал для начала процесса дозирования

х0=1 сигнал для сброса памяти

z = 1 сигнал включенной памяти

zЇ = 1 сигнал выключенной памяти

Для работы логического управляющего устройства необходимо задать уравнения логические основных операций.

Y1 = х01• zЇ· х1• х3• х4

YЇ1= х2• zЇ

Y2 = z• х2• х3

YЇ2= z• х1

Yz = х3

YЇz= х0

В качестве исполнительных механизмов использую пневмоцилиндры двухпозиционные с электромагнитным и пружинным фиксаторами крайних положений.

Работу исполнительных механизмов характеризует тактограмма:

Список использованных источников

1. Бушуев С.Д., Михайлов В.С. Автоматика и автоматизация производственных процессов: Учеб. пособие для вузов строит. специальностей - М.: Высш. шк., 1990. - 256 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru