Файл: Минобрнауки россии федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Тульский государственный университет.docx

Функциональное проектирование измерительного устройства

Функциональное проектирование измерительных устройств имеет довольно сложную иерархическую структуру.



Рисунок 3. Структура функционального проектирования измерительного устройства

Высшим уровнем этой структуры является функционально-логический. На нем ИУ рассматривается как совокупность взаимосвязанных ФК и ФУ, каждое из которых имеет самостоятельное назначение и конструкцию. На этой стадии устанавливаются требования к наиболее ответственным и крупным частям ИУ, выполнение которых гарантирует выполнение требований ТЗ, предъявляемых к ИУ в целом. Эти требования оформляются в виде ТЗ на конкретные ФК и ФУ, куда включаются ограничения на параметры и характеристики этих устройств. Поэтому функциональное проектирование иногда называют функционально-параметрическим проектированием.

На системотехническом уровне функционального проектирования осуществляется проектирование схем ФУЗ, входящих в ФУ. При этом процесс проектирования делится на ветви, соответствующие каждому узлу.

На схемотехническом уровне каждый ФУЗ рассматривается как структура, состоящая из взаимосвязанных функциональных блоков. Разработка ФБ осуществляется в соответствии с техническими заданиями, сформированными на предыдущем уровне. Начиная с этого уровня, ветви функционального проектирования приобретают «специализацию». Она определяется физическим принципом действия, характером элементной базы, составом элементов, особенностями конструкции и другими характеристиками ФБ, которые на системотехническом уровне игнорировались. Схемотехнический уровень функционального проектирования требует, как правило, наибольшего объема работы, так как именно на этом уровне устанавливаются основные параметры функциональных блоков ИУ.

На элементном уровне разрабатываются схемы тех функциональных элементов (ФЭ), которые реализуют схемы ФБ. Часто работа на этом уровне сводится к подбору стандартных деталей и схем их соединения, так как проектирование новых деталей, отличающихся от стандартных, производится лишь в особых случаях.

---

В соответствии с ГОСТ 2.701—2008 различают следующие виды схем: электрические (Э), гидравлические (Г), пневматические (П), газовые (Х), кинематические (К), вакуумные (В), оптические (Л), энергетические (Р), деления (Е), комбинированные (С).

Для приборов и систем, в состав которых входят элементы разных видов, разрабатывают несколько схем соответствующих видов одного типа (например, схему электрическую принципиальную и схему гидравлическую принципиальную) или одну комбинированную схему (например, электро-кинематическую), содержащую элементы и связи разных видов.

В зависимости от основного назначения схемы приборов и систем подразделяют на следующие типы схем: структурные (1), функциональные (2), принципиальные (3), соединений (4), подключения (5), общие (6), расположения (7), объединенные (0).

Количество типов схем на изделие должно быть минимальным, но в совокупности они должны содержать сведения в объеме, достаточном для проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта создаваемого прибора.

Схемы выполняют без соблюдения масштаба, действительное пространственное расположение составных частей системы или прибора не учитывают или учитывают приближенно. [1]

2. Емкостный преобразователь

Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими (ЭС) преобразователями. Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала.

Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей. Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом. В дальнейшем под емкостным будем понимать преобразователь, в котором используется конденсатор с двумя или несколькими электродами (рис. 4). [2]



Рисунок 4. Электростатический преобразователь

---

Как и любое другое устройство, емкостный преобразователь имеет свои достоинства и недостатки.

К достоинствам емкостных измерительных преобразователей можно отнести простоту их конструкции, малые размеры и массу, высокую чувствительность, большую разрешающую способность при малом уровне входного сигнала, отсутствие подвижных токосъемных контактов, высокое быстродействие, а также возможность преобразования за счет выбора соответствующих конструктивных параметров и отсутствие влияния выходной цепи на измерительную.

В свою очередь, также можно выделить и недостатки этих преобразователей – это относительно низкий уровень выходной мощности сигналов, нестабильность характеристик при изменении параметров окружающей среды и влияние паразитных емкостей (емкости, которые существуют между частями электронного компонента или схемы из-за их близости друг к другу). [3]

1. 1   2   3   4   5   6   7

---

Принцип работы

Принцип действия емкостных измерительных преобразователей основан на изменении емкости конденсатора под воздействием входной преобразуемой величины. Емкость конденсатора определяется соотношением

,

где - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; - диэлектрическая проницаемость вакуума; S - площадь пластины; - толщина диэлектрика или расстояние между пластинами. [3]



Рисунок 5. Емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластинами (а), дифференциальный (б), дифференциальный с переменной активной площадью пластин (в), с изменяющейся диэлектрической проницаемостью среды между пластинами (г)

На рис. 5 схематически показано устройство различных емкостных преобразователей. Преобразователи на рис. 5(а) представляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной пластины. Изменение расстояния между пластинами ведет к изменению емкости преобразователя. Чувствительность преобразователя резко возрастает с уменьшением расстояния , поэтому целесообразно уменьшать начальное расстояние между пластинами. При выборе начального расстояния между пластинами необходимо учитывать пробивное напряжение воздух (10 кВ/см для воздуха).

Такие преобразователи используются для измерения малых перемещений (менее 1 мм). Малое рабочее перемещение пластин приводит к появлению погрешности от изменения расстояния между пластинами при колебаниях температуры. Соответствующим выбором размеров деталей преобразователя и материалов эту погрешность можно значительно снизить.

В емкостных преобразователях возникает усилие притяжения между пластинами, определяемое производной от энергии электрического поля W

---

_Э по перемещению подвижной пластины,   , где U и C – соответственно напряжение и емкость между пластинами.

Применяются дифференциальные преобразователи (рис.5(б)), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины. При воздействии измеряемой величины x у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С₁ и С₂.

На рис. 5(в) показано устройство дифференциального емкостного преобразователя с переменной активной площадью пластин. Такой преобразователь целесообразно использовать для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемый характер функции преобразования путем профилирования пластин.

Преобразователь емкостного уровнемера (с изменяющейся диэлектрической проницаемостью среды между пластинами) представлен на рис. 5(г). Емкость между электродами, опущенными в контролируемый сосуд, зависит от уровня жидкости, так как изменение уровня ведет к изменению диэлектрической проницаемости среды между электродами. Изменением конфигурации пластин можно получить желаемый характер зависимости показаний прибора от объема (массы) жидкости. [4]

2. Схемы включения емкостного преобразователя

Емкостный преобразователь включается в измерительную цепь; при этом изменение его емкости преобразуется в изменение напряжения или тока либо в частоту синусоидального или импульсного тока. Существует довольно много различных измерительных цепей включения емкостных преобразователей. Рассмотрим некоторые из них.

Для включения недифференциального преобразователя может использоваться резонансная цепь (рис. 6а):



Рисунок 6. Резонансная цепь для включения недифференциального преобразователя

Генератор через разделительный трансформатор Т питает резонансный LC-контур. Емкость контура состоит из емкости преобразователя и подстроечного конденсатора емкостью , частота и значение напряжения генератора постоянны. При изменении емкости напряжение на контуре изменяется по резонансной кривой, как показано на рисунке б. При изменении емкости преобразователя на

---