Конструирование датчика давления

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агенство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

Алтайский государственный технический  университет им. И. И. Ползунова

 

Кафедра

Информационных технологий

 

 

                                                                   Курсовой проект

защищен с оценкой

 

Руководитель

старший преподаватель

В.В.Надвоцкая

 

 

 

 

 

КОНСТРУИРОВАНИЕ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

 

Пояснительная записка курсового проекта по дисциплине

«Физические основы получения информации»

 

КП.190900.10.000 ПЗ

 

 

 

 

Проект выполнил

Студент гр. ИИТ-32___________________________________ Понамарчук А.С.

 

Нормоконтролер к.т.н., доцент__________________________ Котлубовская Т.В.

 

 

 

 

 

Барнаул 2005г. 

 

Задание

 

Учебная дисциплина                      Физические основы получения информации

Ф.И.О. студента                             Понамарчук А.С.

Группа                                             ИИТ-32

Тема курсового проекта                 Конструирование датчика давления

 

№ этапа	Название этапа (раздела)	Сроки выполнения
		Начало	Окончание
1	Определение перемещения  конца пружины Бурдона эллиптического сечения под воздействием давления р=7 кгс/см2. Размер пружины: радиус центральной оси R=46 мм, толщина стенки h=2.2мм; центральный угол γ=240, полуоси поперечного сечения по среднему контуру а=10.5 мм; b=3.22мм. Пружина выполнена из латуни Л62, модуль упругости-Е=1.16*106кгс/см2, коэффициент Пуассона µ=0.3.	9.02.05	9.03.05
2	Определить измеренное усилие индуктивного преобразова- теля с Ш-образным сердечником и плоским якорем при пределе измерения ∆δ=0.199*10-3м и измерительном усилии F≤3Н; чувствительности К=100÷150 Ом/мм и частоте f=50Гц. Габаритные размеры  а=5мм, b=7мм, с=13мм, f=9мм, h=17мм. Геометрические размеры  параметра b численно равны параметрам t. Марка провода: ПЭВ-1.	9.03.05	6.04.05
3	Теоретическая часть.	6.04.05	29.04.05
4	Оформление курсового  проекта.	29.04.05	20.05.05

 

 

Дата выдачи задания                                                               9.02.2005г.

 

Срок представления  курсовой работы к защите                  23.05.2005г.

 

Руководитель курсовой работы

ассистент кафедры ИТ       ___________________________/Надвоцкая В.В./

 

Задание принял к исполнению

студент гр. ИИТ-32            ___________________________/Понамарчук А.С./

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

                Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1        Теоретическая часть  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.   Датчики давления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1. Датчики давления с нормализованным выходным сигналом . . . . . . . . . .5
2. Принцип работы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3. Манометр с трубчатой пружиной. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2.   Некоторые виды преобразователей неэлектрических сигналов в

           электрические . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

1. Реостатные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

1.2.2  Тензочувствительные преобразователи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2.3  Термочувствительные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3. Индуктивные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
1. Принцип работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.   Упругие элементы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1. Плоские пружины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
2. Винтовые пружины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3. Мембраны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
4. Манометрические трубчатые пружины  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

1.5      Конструируемый датчик давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

2         Расчетная часть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

5.    Расчет перемещения конца пружины Бурдона  . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6.    Расчет измеренного усилия индуктивного преобразователя . . . . . . . . .15

                   Заключение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

                 Список литературы . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

 

 

 

 

 

Введение

Измерения производят с  помощью разнообразных датчиков, выполняющих функцию первичного элемента, который воспринимает информацию от объекта и преобразует ее для передачи в канал связи на вычислитель. В данной работе будет спроектирован датчик давления. Перед конструированием будет рассчитано перемещение конца пружины Бурдона эллиптического сечения под воздействием давления и измеренное усилие индуктивного преобразователя с Ш-образным сердечником и плоским якорем. Перемещение пружины должно составлять значение меньше, либо равное 0.2 мм. Требования к прибору: B = 0.2 Т,

К = 100÷150Ом/мм, j = 2÷2.5А/мм².

 Расчет производится  с заданными  габаритными размерами. Будущий прибор должен обладать быстродействием, небольшой погрешностью, высокой надежностью, тогда при измерении давления можно получить хорошие результаты близкие к точным. Так же подобранная литература даст общее представление о многообразии датчиков и их составляющих. 

 

  Теоретическая часть

 

 

1.  Датчики давления

 

Датчики абсолютного  давления измеряют внешнее давление относительно вакуума (нулевого давления), который запечатывается в эталонную камеру при производстве датчика.

Датчики дифференциального давления измеряют разницу между давлениями, одновременно приложенными к противоположным сторонам диафрагмы.

Датчики шаблонного давления, это частный случай датчика дифференциального давления. В качестве одного из давлений, приложенных к диафрагме, берется атмосферное давление.

1.  Датчики давления с нормализованным выходным сигналом

 

 

 Сегодняшний день невозможно представить без  микропроцессоров и микроконтроллеров (в дальнейшем МП). Они используются в устройствах проводной и  беспроводной связи, в промышленной и автомобильной электронике, в  аппаратуре вычислительной техники и в бытовой аппаратуре и для реализации предписанных программой функций каждый МП должен получать информацию из внешнего мира - "увидеть" его, "услышать", "ощутить". Такими "органами чувств" для МП являются датчики - датчики давления, температуры, уровня, расхода, химического состава и т.п. 
         В общем ряду датчиков важное место, особенно в автомобильной и промышленной электронике, занимают датчики давления и в данной статье будет представлена серия MPX5000 фирмы Motorola - серия датчиков давления с нормализованным выходным сигналом.

 

                                    

                             а)                                                                      б)

Условные  обозначения:

а - Носитель базового кристалла (корпус 867-04);     
б - Датчик дифференциального давления с входными портами (корпус 86703).

Рисунок 1- Общий вид  датчиков давления серии MPX5000

 

1.1.2 Принцип работы тензодатчика

 

 

 

 

Рисунок 2 - Базовый элемент некомпенсированного датчика (вид сверху)

 

 

   Датчик работает таким образом: ток возбуждения протекает по резистору (отводы 1(земля) и 3(напряжение)) а подаваемое к диафрагме давление, воздействуя на диафрагму, изгибает резистор. Изгиб приводит к возникновению в резисторе поперечного электрического поля , которое проявляется как напряжение на отводах 2(выходное напряжение с « + ») и 4(выходное напряжение с « - »), соединенных со средней точкой резистора. Выходной сигнал изменяется пропорционально прилагаемому давлению. Одноэлементный тензодатчик, с поперечным съемом напряжения, можно рассматривать как механический аналог прибора на эффекте Холла. 
        Тензодатчик является интегральной частью диафрагмы и, следовательно, его температурный коэффициент не отличается от температурного коэффициента диафрагмы. Выходные параметры самого тензодатчика все же зависят от температуры и для обеспечения расширенного диапазона температур необходима температурная компенсация. Для диапазона температур от 0 до 85°C достаточно простой резистивной цепочки, реализованной на том же кристалле, но для более широкого диапазона температур, например от -40 до 125°C, потребуется и более сложная схема компенсации. Такая дополнительная компенсация реализуется внешними схемами. 
        Использование одного чувствительного элемента исключает необходимость точного согласования четырех , чувствительных и к давлению и к температуре, резисторов, составляющих мост Уитстоуна. Кроме того, существенно упрощаются дополнительные схемы, необходимые для калибровки и температурной компенсации. Начальное смещение зависит, в основном, от степени выравнивания отводящих проводников, снимающих напряжение. Это выравнивание выполняется в одном литографическом процессе, обеспечивающем простое их согласование а использование только положительного напряжения, упрощают схему сведения смещения к нулю.

 

 

1.1.3 Манометр с трубчатой пружиной

 

Если нет необходимости  измерять давление с очень высокой  точностью, пользуются относительными приборами, которые калибруются по показаниям поршневого манометра. Один из наиболее распространенных - манометр с трубчатой пружиной (манометр Бурдона), упругие свойства которой используются для измерения давления. Основная деталь этого манометра - согнутая по кругу полая трубка 1, имеющая в сечении форму овала или эллипса.

 

Рисунок 3 - Манометр с трубчатой пружиной Бурдона.

 

Один конец трубки впаян в держатель 2, а второй - закрыт пробкой 3. Держатель скреплен винтами с корпусом 4 манометра  и имеет внизу ниппель 9 с нарезкой для подключения манометра к рабочему объему. Свободный конец трубки соединен с деталями передаточного механизма 5, 6 и стрелкой 7. Когда манометр соединен ниппелем с пространством, в котором имеется повышенное давление какой - либо жидкой или газообразной среды, последняя заполнит полость трубки и заставит ее несколько разогнуться. Это движение через передаточный механизм повернет стрелку манометра. В настоящее время имеются трубчатые пружины до давлений 15 - 20 кбар. Точность измерения ими давления

невысока (ошибка 3-4%). Образцовые приборы с классом точности до 0.35 изготовляют для измерения давления до 5 кбар. Этот манометр был изобретен в 1848 г. французским ученым Э.Бурдоном. Пружинная трубка манометра выполнена из упругой стали, которая легко корродируется водой и тем более растворами солей. Поэтому обычно трубка Бурдона заполняется силиконовым маслом, давление на которое передается через сильфонный разделитель.

 

2.  Некоторые виды преобразователей неэлектрических сигналов в    электрические

 

 В параметрических  преобразователях выходной величиной является параметр электрической цепи (R, L, М, С). При использовании параметрических преобразователей необходим дополнительный источник питания, энергия которого используется для образования выходного сигнала преобразователя.

 

1.  Реостатные преобразователи.

 

Реостатные  преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины — перемещения. Реостатный преобразователь представляет собой реостат, щетка (подвижный контакт) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики и металлы. Проволоку для обмотки выполняют из сплавов (сплав платины с иридием, константан, нихром и фехраль). Для обмотки обычно используют изолированный провод. После изготовления обмотки изоляцию провода счищают в местах соприкосновения его со щеткой. Щетку преобразователя выполняют либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используют как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза и т. д.).

Габариты преобразователя  определяются значением измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и мощностью, выделяемой в обмотке.