Датчики измерительных систем
Московский
Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана
Расчетно-пояснительная
записка
к
курсовой работе по курсу ОКП
г.
Москва, 2012
Содержание
. Техническое задание
.1 Исходные данные
.2 Пояснение к заданию
. Описание выбранного датчика
.1 Назначение датчика
.2 Технические характеристики
.3 Конструкция датчика и принцип его
работы
. Выбор и расчет параметров
устройства
. Указания по
транспортировке, монтажу и хранению устройства
Список литературы
1. Техническое
задание
1.1 Исходные данные
Рассчитать струнный датчик для измерения
давления грунта на фундамент. Рабочая частота датчика 1000Гц. Рабочая
температура: +70..-50 С. Напряжение в сети питания 12В. Исполнение прибора
должно соответствовать классу IP62,
размещение УХЛ3.
1.2 Пояснения к заданию
Согласно ГОСТ 15150-69
"Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия
эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических
факторов внешней среды",размещение прибора УХЛ 3 означает следующее.
Буквенные обозначения
(обозначают климатическую зону):
[УХЛ] - эксплуатация в районах
с умеренным и холодным климатом
Цифра кода: категория размещения
электрооборудования
"3" - Для работы в закрытых помещениях
с природной вентиляцией, без искусственного регулирования климатических
условий, где колебания температуры и влажности воздуха, а также действие песка
и пыли значительно меньше, чем снаружи, например: в металлических с
теплоизоляцией, каменных, бетонных, деревянных помещениях (значительное
уменьшение действия солнечной радиации, ветра, атмосферных осадков, отсутствие
росы).:
Существует степень защиты
корпусов приборов согласно международному нормативу International Protection
(IP). Этот норматив несёт информацию о защите обслуживающего персонала от
поражения электрическим током при работе с прибором и о степени защиты
расположенных внутри прибора электронных компонентов от проникновения пыли и
влаги.
Первая цифра - степень защиты
от проникновения твердых частиц. 6 - пыленепроницаемая оболочка, полная защита
от контакта.
Вторая цифра защита от
проникновения жидкостей. 2 - защита от вертикально капающей воды под углом до
15 градусов. Капающая вода не должна нарушать работу устройства. В нормативе IP
не учитывается защита от агрессивных сред и другие серьёзные требования к
оборудованию. В этих случаях надо пользоваться специальными стандартами.
Норматив IP даёт представление о пылевлагозащищённости изделия и его
электробезопасности.
2. Описание
выбранного датчика
2.1 Назначение датчика
Данный прибор позволяет исследовать и
динамически отслеживать величину давления грунта на фундамент различных
сооружений, в том числе инженерно-технических (мосты, платины, туннели)
мемориальных и архитектурных (аркады, колоннады, обелиски). Является эффективным
контролирующим оборудованием для определения величины изменения грунтового
давления, выявления неравномерности распределения нагрузки на грунт по
периметру строительной конструкции, выявления превышения допустимой нагрузки
окружающей породы на стены строительной конструкции, в том числе тоннелей,
подпорных стен и т.д.
2.2 Технические характеристики
Электрические характеристики:
Схема подключения: двухпроводная, используется
разъем с 4-мя выводами типа 2РМ.
Ток питания: постоянный
Напряжение питания: 10В
Метрологические характеристики:
Диапазон измерений давления: 0-1.8МПа
Точность измерения: ≤ 0,5%
Конструктивные параметры:
Материал корпуса: нержавеющая сталь 45Х
Материал струны: вольфрам
Диаметр корпуса: 60мм
Степень защиты: IP62
Класс размещения: УХЛ3
Условия эксплуатации:
Повышенная влажность, высокая коррозийность
(возможно высокое содержание щелочей и кислот в грунте). Корпус датчика
подвергается высокому давлению ( упругие деформации)
.3 Конструкция датчика и принцип его работы
Датчики, в которых в качестве чувствительного
элемента применяется электромеханический струнный преобразователь называются
струнными. Принцип действия струнных датчиков основан на изменении частоты
автоколебаний ферромагнитной струны, натянутой в поперечном магнитном поле
между двумя жестко закрепленными на контролируемом объекте опорными точками,
происходящем при изменении расстояния (измерительной базы датчика) между этими
опорными точками под воздействием продольных нагрузок сжатия или растяжения.
Простейшая конструкция представляет собой струну, одним концом жестко
заделанную в основание, а другим концом растягивающуюся измеряемой силой Р.
Частота собственных поперечных колебаний струны связана с силой натяжения.
зависимостью: 
, где m
и l - масса и длина
струны.
Принципиальная схема струнных датчиков давления
Вблизи струны размещен электромагнитный
приемник, сигнал которого подводится к усилителю обратной связи. Последний
формирует выходной сигнал и, кроме того, запитывает возбудитель колебаний
струны. Возбудители бывают электромагнитные, магнитоэлектрические,
электростатические и применяются для стимулирования колебаний струны. Контур,
содержащий электромагнитный приемник и усилитель обратной связи, обеспечивает
поддержание колебаний постоянной амплитуды.
Любые изменения нагрузки на струну будут
изменять её натяжение и длину, а, следовательно, и собственную частоту
колебаний. Поэтому частота сигналов на выходе усилителя однозначно связана с измеряемым
усилием.
Рисунок - Виды возбудителей колебаний струны
а - электромагнитный; б - магнитоэлектрический;
в -электростатический.
В зависимости от технического задания необходимо
правильно подобрать материал струны: высокая прочность при вибрационных
нагрузках, определенный температурный коэффициент, независимость упругих
свойств от времени и температуры. Наиболее распространенные стальные струны,
ленты, бериллиевая бронза, вольфрамовые сплавы, железокобальтовый сплав и др.
При выборе струны существует зависимость - чем меньше длинна, тем меньше
габариты, больше чувствительность и виброустойчивость, но тем больше
погрешность.
Недостатки: нелинейная статическая
характеристика и плохая динамическая характеристика при измерении переменных
напряжений.
Преимущества: Конструкция струнных датчиков
устойчива к механическим воздействиям, влиянию факторов окружающей среды,
проникновению влаги, высокая надежность и длительный срок эксплуатации, низкая
стоимость, высокая точность измерений.
3. Выбор
и расчёт составных частей датчика
Расчёт струнного датчика.
При растяжении струны происходит изменение
частоты колебаний.
Частота собственных поперечных колебаний струны
связана с силой натяжения следующей зависимостью:
где P-сила
натяжения струны, m-масса
струны, L-длина струны
Эта формула будет использована для нахождения
начального натяжения струны (при подстановке рабочей частоты f=1000Гц)
Сила натяжения струны и её длина будет
значительно изменяться в зависимости от действующего на датчик давления.
Изменение длины струны будет равно изменению
длины корпуса датчика под воздействием внешней силы.
Учитывая то, что корпус должен находиться в зоне
упругих деформаций, рассчитаем зависимость изменения его длины от внешней силы
и найдем максимальное допустимое значение.
Корпус сделан из нержавеющей стали 45Х и имеет
следующие характеристики:
Для выбранной формы корпуса датчика:
Примем 
Тогда 
Зависимость частоты колебаний от изменения длины
струны 
будет
иметь следующий вид:
График получен подставлением значений и
выражения для 
в
следующую формулу:
Основная формула для расчёта:
Подставляя все значения и учитывая связь между и
входным воздействием 
, после упрощения
она примет следующий вид:
Для f,
лежащего в интервалах от 1000 до 1400 (см. график выше) эта формула показывает
зависимость между входным воздействием и частотой колебания струны.
График будет выглядеть следующим образом:
Где координата Y
- значение внешнего воздействия.
В крайней точке Y
имеет значение 1.893e+006, что составляет 1893000 Па =1,893 МПа
Выходные значения напряжения
Подставив выражение для f
и 
(закон
Био-Савара-Лапласа для магнитного поля прямого тока) получим после упрощения:
Зависимость выходного напряжения от давления при
Расчёт струны на разрыв.
Напряжение в струне в соответствии с формулой
(1) при подставлении рабочей частоты 1000 Гц составит 2.75МПа
Вольфрам обладает 
и
Т.к. это условие выполняется, разрыва струны не
будет.
Расчёт температурного коэффициента для
разработанного измерительного модуля.
Корпус выполнен из стали 45Х, и обладает
Струна из вольфрама обладает
Т.е. изменение длины составляет менее 0.01%, из
чего можно сделать вывод о возможности использования данного датчика в
указанных диапазонах температуры. 
Для большей температурной компенсации необходимо
изготовлять все детали электромеханической системы преобразователя (струну,
корпус, зажимы и т. д.) из материалов с равным коэффициентом линейного
расширения
4. Указания по транспортировке и монтажу.
Требования к классу защиты и климатическому исполнению
струнный датчик электрический
измерительный
Датчик может транспортироваться любым методом
транспорта, с соблюдением мер защиты от ударов и механических повреждений.
Транспортирование следует производить в транспортной таре.
Изделие соответствует классу защиты IP62
(т.е. выполнена защита оболочкой от каплепадения и пыленепроницаемость)
Щуп доступности диаметром 1мм не проникает
внутрь оболочки.
Также в соответствии с ГОСТ12254-96 вертикально
падающие капли не окажут воздействия на датчик при условии, что он может быть
отклонён на любой угол от вертикали до 15 градусов включительно.
Монтаж. Датчик предназначен для измерения
давления в толще грунта. При установке фундамента датчик закладывается в его
основание. Форма датчика не позволяет вводить его под уже построенный
фундамент, а после выполнения измерений извлекать и располагать в новом месте.
Он предназначен для разового размещения и постоянного отслеживания давления на
грунт. Конструкция датчика позволяет измерять давление грунта в наклонных или
вертикально простирающихся разломах.
Список литературы
. "Атлас конструкций
элементов приборных устройств" Тищенко О.Ф.
. "Датчики измерительных
систем" Аш Ж.
. "Проектирование
датчиков для измерения механических величин" Е.П. Осадчий, А.И. Тихонов,
В.И. Карпов
. "Частотные датчики
систем автоконтроля и управления" Н.Т. Милохин