Расчет термокондуктометрического газоанализатора (стр. 4 из 5)

По техническим требованиям основная погрешность изменения датчика не должна превышать 0,5%. Она зависит от ряда факторов, которые влияют на физические свойства и параметры отдельных звеньев цепи преобразования измеряемой величины. К ним относятся вибрации, температура, напряжение питания. Для уменьшения погрешности от напряжения питания следует применять стабилизированные источники питания. Составляющими основной погрешности также являются погрешность от нелинейности и гистерезиса. Эффективными мерами уменьшения этих погрешностей являются применение дифференциальных преобразователей, ограничение рабочего диапазона, правильный выбор материала упругого элемента, материала и конструкции тензорезисторов, технологии их изготовления.

2.3 Обзор методов преобразования силы

Для измерения силы используют много методов: индуктивный, струнный, тензорезисторный.

У струнных (виброчастотных) датчиков выходной сигнал - частота. Они обеспечивают высокую точность отсчета и независимость показаний линии связи, но эти датчики не могут быть выполнены на низкие диапазоны измерения, на широкий диапазон вибрационных нагрузок, не могут работать в широком температурном диапазоне. Струнные датчики сложны и дороги в изготовлении.

Индукционные датчики просты, дешевы, технологичны, но обладают низкими точностными свойствами.

Тензорезисторные датчики благодаря своим преимуществам получили широкое применение (до 98% от числа всех датчиков). Они просты, надежны, могут питаться как от постоянного, так и переменного источника питания. Обеспечивают широкий диапазон работы и практически не снижают жесткости конструкции системы. Недостатком этих датчиков является низкая величина выходного сигнала, недостаточно высокая точность преобразования и специфическая технология.

В нашем случае выбираем в качестве метода преобразования силы тензорезисторный метод.

2.4 Обзор датчиков силы

Большое распространение для измерения силы получили тензорезисторные датчики, структурная схема которых представляет последовательное соединение трех измерительных преобразователей:

Рисунок 6 - Структурная схема датчика силы.

где УЭ - упругий элемент, ТР - тензорезистор, ИЦ - измерительная цепь (мостовая схема). Измеряемая сила Fx прикладывается к УЭ так, что он деформируется на величину Е_t. Деформация УЭ воспринимается установленным на него тензористорами, которые изменяют свое сопротивление на величину E_kотносительных единиц. Относительное изменение сопротивления тензорезистора измерительной цепью преобразуется в величину выходного сигнала U_вых. В тензорезисторных датчиках силы получили распространение две измерительные цепи: неравновесный мост и делитель напряжения, который применяется в тех случаях, когда ограничены габариты датчика или если требуется измерять только динамическую составляющую.

На конструкцию датчика силы, его характеристики существенно влияет конструкция упругого элемента. В зависимости от этого датчики силы можно подразделить на датчики со стержневым, кольцевым, мембранным, балочным, упругим элементом.

Датчик со стержневым упругим элементом состоит из цилиндрического упругого элемента, на наружной поверхности которого установлены тензорезисторы и компенсационные сопротивления, силовой и вспомогательной подушек, монтажной колодки, кожуха и разъема. Упругий элемент имеет хвостовик, предназначенный для крепления датчика на объекте измерения. На нижней части упругого элемента предусмотрена выточка для крепления кожуха и площадка для установки разъема. Силовая и вспомогательные подушки контактируют между собой по сферической поверхности. Измеряемая сила прикладывается к силовой подушке и передается через сферический контакт вспомогательной подушке и упругому элементу, деформирующемуся под действием этой силы. Упругий элемент в зависимости от предела измерения силы может быть выполнен и в виде сплошного стержня.

В конструкции датчика силы с кольцевым упругим элементом вместо стержня установлено кольцо с двумя жесткими участками вдоль вертикального диаметра, т.е. вдоль направления действия силы. Тензорезисторы приклеены на внутренней и наружной поверхности кольца, на линии горизонтального диаметра.

Датчик силы с мембранным упругим элементом. Измеряемая сила прикладывается к силовой подушке, удерживаемой между крышкой и жестким центром мембраны, пружиной. В результате действия силы мембранный УЭ деформируется. Радиальные деформации мембраны воспринимаются наклеенными на нее тензорезисторами, собранными в мостовую ИЦ, вход и выход которой выведены на разъем. Резьбовой хвостовик предназначен для крепления датчика на объекте.

Датчик силы с балочным УЭ. Основным узлом этого датчика является чувствительный элемент выполненный в виде балки равного сечения, с жестко заделанным одним концом, с наклеенными на верхнюю и нижнюю части ее, тензорезисторами. Измеряемая сила прикладывается к штоку, закрепленному на втором конце балки.

2.5 Выбор тензорезистора

Тип тензорезиетора задан в таблице исходных данных. Для этого типа характерны следующие параметры:

• Предельная измеряемая деформация ε=0,003

• Коэффициент тензочувствительности S=l,9..2,3.

• Номинальное сопротивление R= 100 - 400 Ом

• Размеры: база - С, длина - L, ширина - В.

Обозначение тензорезистора включает в себя основные его характеристики. КФ5П1-3-100 Б12 - тензорезистор КФ5, прямоугольный, база-3 мм, сопротивление 100 Ом, группа качества Б, термокомпенсирован для стали. 12 - температурный коэффициент линейного расширения стали, без множителя.

2.6 Выбор и расчёт упругого элемента

1) Выбор конструктивной схемы УЭ и схемы установки тензорезисторов.

С помощью УЭ усилие F преобразуется в деформацию. В тензоризисторных датчиках наибольшее распространение получили такие формы упругого элемента, как кольцо, стержень, мембрана, балка. Эти УЭ обладают разными чувствительностью и быстродействием.

Наиболее удачно вопросы закрепления концов УЭ (стабилизации точки) решены в конструкции УЭ в виде кольца. Задача же получения одинаковых по величине деформаций разных знаков может быть обеспечена геометрией жестких участков.

Рисунок 2 - Датчик силы

2) Выбор ширины кольца:

Ширина кольца в 1,2 больше ширины тензорезистора, значит

h=1,2*b=1,2*4,7*10^-3=5,64*10^-3м.

3) Выбор материала упругого элемента.

Материал упругого элемента - сталь 36НХТЮ (E=2,l*10¹¹ Па). Это высококачественная сталь, имеет хорошие упругие характеристики и очень часто применяется для изготовления упругих элементов.

Значение R₀ определяется из зависимости:

,

где В_k - конструктивный коэффициент чувствительности.

Е - модуль упругости материала упругого кольца. Обычно его изготавливают из стали марки36НХТЮ, для которого Е=2,1*10¹¹ Па;

F - максимальное значение измеряемой силы;

h - толщина кольца. Если кольцо имеет сечение формы круга, то h=b;

b - ширина кольца, b=Rb-Rh.

B_k=0,6;

F=50 H;

Е=2,1*10¹¹ Па

Тогда:

Наружный и внутренний радиусы найдём из соотношений:

Коэффициент чувствительности, который зависит от используемой зоны деформации упругого кольца. 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, а недостаток чувствительности обеспечим другими средствами. При использовании зоны вблизи горизонтального диаметра Вк=0,6.

2.7 Расчёт частотного диапазона датчика

Частотный диапазон работы датчика полностью определяется его собственной частотой. Чем выше частота, тем тире частотный диапазон работы датчика работы датчика и тем меньше влияние вибрации ускорения на его работоспособность. В разрабатываемом датчике можно считать, что жесткость в основном определяется жесткостью УЭ, и собственная частота датчика равняется собственной частоте УЭ.

где

h – толщина кольца;

Е – модуль упругости материала УЭ;

ρ - плотность материала упругого элемента.

(кг/м³).

2.8 Расчёт термокомпенсирующего сопротивления мостовой схемы

Рисунок 7 - Мостовая измерительная схема.

Rl, R4 - тензорезисторы, расположение на упругом кольце;