Датчик мишенного типа

В результате курсового проектирования была разработана схема расходомера мишенного типа с преобразователем тензосопротивление – ток.
Погрешность преобразования схемы не превышает заданной погрешности δпр≤2,0%.
Данная схема полностью удовлетворяет заданным требованиям ТЗ.

...

Введение 3
1. Выбор и расчёт первичного измерительного преобразователя 7
2. Расчёт вторичного измерительного преобразователя 12
3. Расчёт фильтра помехи 17
4. Проектирование преобразователя напряжение-ток. 21
Заключение 26
Список использованных источников 27

Каждый из методов измерений расходов имеет и преимущества и недостатки.
Для потребителя, как правило, важен не принцип работы прибора, а именно его потребительские свойства: точность, диапазон измерений, надежность, ремонтопригодность, удобство и простота в эксплуатации, легкость монтажа/демонтажа, возможность интеграции в систему АСУ ТП размеры и вес и т.д.
Исходя из этого, необходим поиск решения, удовлетворяющего максимальному количеству таких требований. Расходомеры на овальных шестернях – пример такого оптимального решения для жидкостей, но они, как и все объемные расходомеры предназначены для измерения ЧИСТЫХ жидкостей. На предприятиях же часто стоит задача по измерению расхода жидкостей, (или газов), содержащих посторонние включения или загрязнения – например нефти, мазутов, битумо в, и т.д.
Таким образом, актуальной является задача поиска высокоточного расходомера:
- предназначенного для измерения как жидкостей, так и газов; как чистых, так и загрязненных; с максимально широким диапазоном по вязкости измеряемых жидкостей и потоку;
- с оптимальным соотношением цена/качество;
- осуществляющего измерения в широком диапазоне температур;
- с малым весом и легко устанавливаемый;
- легко интегрируемый в системы АСУ или удаленного мониторинга.
Интересным результатом поиска являются расходомеры так называемые «мишенного» типа (target type flowmeter), которые практически полностью отвечают критерию оптимального соотношения цена/ потребительские свойства.
1. Функциональные особенности
• высокая точность измерения (до ±0,2%) потоков жидкостей, в том числе высоковязких, газов и пара, в широком диапазоне температур и в обоих направлениях,
• чрезвычайно высокая чувствительность – минимальный поток, регистрируемый расходомером ~ 0,08м/сек,
• отсутствие подвижных частей, следовательно – высокая безопасность и надежность,
• широкий диапазон измерений (до 1:30),
• хорошая воспроизводимость результатов (обычно – 0,1~0,08%) и быстрое измерение,
• малое падение давления на расходомере (около ½ от падения давления на расходомере с тарированным отверстием),
• может использоваться «сухая калибровка», т.е. метод взвешенного равновесия,
• при изменении техпроцесса и, соответственно, изменении потока через трубу, достаточно сменить мишень, без полного демонтажа прибора,
• пригоден, как для непосредственного чтения данных на месте установки, так и для удаленного контроля,
• легко устанавливается и очень легко обслуживается в процессе эксплуатации,
• помехоустойчивый, стойкий к воздействию кислот, щелочей и загрязнений.
Принцип действия таких датчиков основан на измерении механического напряжения эластичного резинового троса, вызванного силой, приложенной к мишени, прикрепленной к нему (рисунки 1,2). Измерения механического напряжения можно выполнять при помощи тензодатчиков, но при этом им надо обеспечить физическую защиту от влияния жидкой среды.

Разброс чувствительности у этих тензорезисторов не превышает ±10%, а номинального сопротивления ±1%.Выбираем BE(BA)120-4FD с сопротивлением 500 Ом.Схема расположения тензорезисторов и исходная конструкция упругого элемента приведена на рисунке 4.Рисунок 4. Схема датчикаБазовая конструкция датчика состоит из корпуса 1, тензорезисторов 2, токосъемника 3, ниппеля 4 и кабеля 5. На торце корпуса имеется мишень 6 (крыло), выполненная за одно целое с корпусом. Пластина имеет сечение в виде балки равного сопротивления с углом 2,5 градуса. Ширина пластины равна 7,8 мм, а длина 25 мм. Для ориентации пластины внутри трубы служат направляющие 7.При выборе схем установки тензорезисторов необходимо руководствоваться знаниями о зонах деформации. Зоны деформации вблизи вертикального диаметра характеризуются повышенной чувствительностью, однако распределение напряжений в этих зонах неравномерно, а зоны на наружной поверхности мало приспособлены для установки на них тензорезисторов из-за конструктивных недостатков. Кроме того, относительная длина этих зон меньше зон горизонтального диаметра. Зоны вблизи горизонтального диаметра обеспечивают меньшую чувствительность (почти в 2 раза), но зато в этих зона более равномерно распределена деформация, относительная длина их в 1,5 раза больше зон вертикального диаметра. Зоны горизонтального диаметра конструктивно и технологично очень доступны для установки на них тензорезисторов. Исходя из выше сказанного, для установки тензорезисторов выбираем зоны горизонтального диаметра.Величина вертикального жесткого участка упругого элемента характеризуется углом 900 . Существует зависимость между углами жесткого участка, при которых перемещения по вертикальной и горизонтальной осям одинаковы. Таким образом формируются условия одинаковой работы тензорезисторов растяжения и сжатия. Из конструктивных соображений заделки опор и укрепления подушки выбираем минимальный угол 150 .Ширину кольца примем равную 12 мм, поскольку ширина основания тензорезистивного моста 11,2 мм.Материал упругого элемента - сталь 36НХТЮ - высококачественная сталь с удовлетворительными упругими характеристиками и часто применяется для выполнения упругих элементов.Наименьшая толщина упругого элемента составит 3 мм, что технологически выполнимо, а наибольшая 7 мм. Расчёт вторичного измерительного преобразователя Вторичный измерительный преобразователь служит для нормирования сигнала тензомоста, то есть для приведения изменения сопротивления тензорезисторов к стандартному сигналу 4-20 мА.При измерении упругих деформаций наклеиваемый тензорезистор располагается на детали в направлении главной (измеряемой) деформации. В пределах упругих деформаций тензорезисторы характеризует небольшое относительное изменение сопротивления.Небольшие приращения сопротивлений тензорезисторов необходимо преобразовать в большие относительные изменения выходных электрических величин.4853940-1264920Рисунок 500Рисунок 5Заданная точность измерения может быть обеспечена применением методов сравнения: нулевого и дифференциального.Эти методы реализуются в мостовой схеме включения тензорезисторов, при этом нулевой метод реализуется равновесным режимом работы моста, дифференциальный – неравновесным.6997706731000Рисунок 5 – Схема измерительного мостаСхема измерительного моста содержит резисторы плеч R1, R2, R3, R4; источник питания U, который характеризуется собственным внутренним сопротивлением Ri; схему нормирования и отображения информации (вольтметр V), подключенную к измерительной диагонали моста. Тензорезисторы, воспринимающие деформации, включены вовсе плечи.Состояние моста характеризует напряжение на измерительной диагонали.Напряжение между точками а и бВ начальном состоянии мост уравновешен. Пусть Uоб=0, соответственно условие равновесия: Под влиянием силы, действующей на мишень и вызывающей деформации, сопротивление тензомоста изменяется, что можно представить как приращение сопротивления тензорезисторов.Чувствительность мостовой схемы в неравновесном режиме оценивается отношением: , где R1=R3=R2=R4=nR. Из этого выражения следует, что чувствительность неравновесного моста не зависит от величин и соотношения между сопротивлениями, а значит и от того, выполнено условие равновесия или нет.Под действием деформации сопротивление активного тензорезистора R изменяется на величину ∆R, мост разбалансирован и на измерительной диагонали появляется напряжение разбаланса. Для равновесного режима характерно то, что мост приводится в состояние равновесия изменением величины сопротивления одного из соседних плеч, например приращением резистора R на величину ∆R. Отношение R3/R4=R1/R2=1 (поскольку все тензорезисторы одинаковы) называют отношением плеч моста. По своей сути это масштабный коэффициент. Для равновесного режима использования моста характерны:отсутствие требований к стабильности питания моста;требование высокой чувствительности прибора, включаемого в измерительную диагональ;высокая точность измерения, в основном определяемая точностью образцовой регулируемой меры;линейность преобразования.Всё это характеризует равновесный режим с положительной стороны.К недостаткам следует отнести:1) низкое быстродействие,2) относительно высокую сложность автоматических устройств уравновешивания.На точность измерения деформаций и напряжений тензорезисторами влияние имеет изменение температуры. Мостовая цепь позволяет довольно легко исключить температурные погрешности. С этой целью в соседнее с датчиком плечо моста подключается второй тензорезистор, также расположенный на детали, но в таком направлении, что измеряемая деформация не изменяет его сопротивления. В некоторых случаях преобразователи можно разместить на детали так, что они будут находиться при одинаковой температуре, но испытывать деформации разного знака. При этом наряду с термокомпенсацией в два раза повышается чувствительность преобразования. В выбранной схеме тензомоста используется этот принцип.Выходным сигналом моста является разность напряжений с диагоналей моста: ∆U = Uб – Uа.Если мост сбалансирован, т.е. то Uб = Uа и тогда ∆U =0 причём независимо от напряжения питания моста. Если осветить фоторезистор, то его сопротивление уменьшится, потенциал точки а тоже уменьшится и будет ∆U > 0, причём опять вне зависимости от напряжения питания моста знак этого неравенства будет неизменен (хотя величина ∆U и будет меняться). И наоборот – при затемнении фоторезистора потенциал точки а увеличится и будет ∆U < 0, опять вне зависимости от напряжения питания моста.Изобразим принципиальную схему моста постоянного тока с тензорезисторами. Предполагается измерять деформацию в диапазоне от 3 до 86·10-7.Напряжение питания – 36 В. Требуется изобразить принципиальную схему и определить номиналы использованных элементов.С выхода моста на последующие каскады устройства поступает дифференциальное напряжение. Резисторы моста выберем так, чтобы он был сбалансирован при деформации, равной 0. Тогда его выходное напряжение ∆U будет равно нулю. При увеличении деформации датчика оно будет изменяться.При напряжении питания Uпит =36 В ток, текущий через резисторы (соединённые последовательно):I1=I2=Uпит/(R1+R2)=36/(500+500)=36 мА.При этом на них будет выделяться мощность:Р1-Р2=I12R1=0,036*500=0,648 ВтКогда мост сбалансирован, напряжение между его диагоналям равно нулю:∆U = 0.При увеличении деформации тензорезистора его сопротивление падает и потенциал точки а уменьшается относительно нулевого потенциала (корпуса). Найдём Uа при максимальной деформации.Сопротивление тензорезистора можно рассчитать, зная кратность изменения сопротивления:ΔR=100*86*10-7=86*10-5.Ток через резисторы R2 и R4:I2=Uпит/(R2+ΔR2+R4+ΔR4)= Uпит/(2R2+2ΔR2)I2= 36/(1000+0,00172)=0,03599994 АПадение напряжения на R2, R4:U4=U2=I2*I2=0,003599994*500=17,99996 ВПри этом измерительное выходное напряжение моста уменьшится от 0 до ∆U = Uа - Uб =17,99996 – 36= -18,00003 В.При напряжении питания 36 В выходное напряжение моста будет изменяться от 0 до 18,00003 В при изменении скорости от 0 до 2,5 м/с. Структурная схема моста изображена на рисунке 6.3. Расчёт фильтра помехиПри обработке сигнала накладывается сигнал помехи, от которого надо избавиться. Для этого используют пассивные и активные фильтры. Построение пассивных фильтров (только R, L и С элементы) проще, но они ослабляют сигнал. Кроме того, на низких частотах применение катушек индуктивности затруднительно из-за их больших габаритов. Активные фильтры включают в себя усилительные элементы, охваченные цепями обратной связи. Активные фильтры на основе ОУ находят широкое применение в измерительной аппаратуре. Необходимо спроектировать фильтр для удаления из сигнала помехи частотой 1-500 МГц. Рассчитаем фильтр низкой частоты, ослабляющий помеху в 100 раз, т. е. на 40 дБ2. Крутизна спада АЧХ на переходном участке определяется выражением: где ∆К – уменьшение коэффициента передачи от изменения частоты ω. В нашем случае ослабим помеху на ∆К = 40 дБ, порядок активного фильтра выберем n=2, тогда искомая частота среза:кГцСигнал с частотой менее 0,1 МГц будет проходить через фильтр практически без изменений, а с большими частотами – задерживаться. Пусть сигнал с частотой менее 100000 Гц будет проходить без усиления, т. е. коэффициент усиления К=1. Тогда АЧХ проектируемого фильтра будет иметь вид, показанный на рисунке 7. Рисунок 7 - АЧХ проектируемого фильтраПрименим звено по схеме Саллен - Ки. Выберем конденсатор С3 типа К77-1 с ёмкостью 0,022 мкФ: Фильтры достаточно чувствительны к точности элементов, поэтому желательно выбрать минимально возможный допуск на ёмкость. Для К77-1 это ±2%. Так как мы выбрали фильтр второго порядка, то у нас будет одно звено с одним операционным усилителем. Выберем фильтр Баттерворта, чтобы получить наиболее равномерную АЧХ (применяется для измерительной аппаратуры). Выбираем коэффициентыb=1,4142, с=1,0000. Определяем С4, R3 и R4: Выберем С4 =0,01 мкФ типа К73-17. Резисторы типа МЛТ можно выбираем более точные (Е96), тогда R3 = 725 Ом. Принимаем R4 = 100 кОм. Поскольку K=1, то R5=∞ (в схеме отсутствует), а R6=0.