Содержание

Введение 4

1. Техническое задание на разработку СУ 8

2. Структурная схема системы управления и назначение её элементов 13

3. Выбор элементов и разработка функциональной схемы 16

3.1 Выбор исполнительных органов 16

3.2 Выбор датчиков 25

3.3 Выбор преобразователей 36

3.4 Выбор корректирующего контура (регулятора) 38

3.5 Выбор усилителей 39

Приложение 1. Функциональная схема………………………………………………48

Приложение 2. Электрическая схема……………………………………………….. 49

Заключение 48

Список использованной литературы 51

Внимание!

Это ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ВЕРСИЯ работы №3473, цена оригинала 1000 рублей. Оформлена в программе Microsoft Word.

Оплата. Контакты.

Введение

В качестве темы курсового проекта предложено разработать систему управления электрическим феном, используемый в автомобиле.

Фен (англ. fan, от лат. vannus – веялка) – это такой прибор для сушки волос подогретым воздухом, который можно использовать также и для других целей. Представляет собой электрический вентилятор с нагревательным элементом, температура выходящего воздуха не превышает 70 °С.

Двадцать лет назад далеко не каждая милая дама пользовалась феном. И не потому, что не считала это нужным, а поскольку, как и многое в нашей стране, фен, а тем более хороший, был дефицитом. Советские женщины сушили волосы над духовкой или над радиатором, с помощью полотенца и постоянного расчесывания, выходили на жаркое солнце или подставляли волосы ветру. Но, к счастью, сегодня все эти ухищрения остались в прошлом, фен стал доступным и привычным атрибутом нашей жизни, у некоторых красавиц есть даже несколько моделей: для сушки, для укладки, для дальних путешествий.

Что стоит иметь в виду, выбирая фен? Первое — зачем он вам нужен — просто для сушки волос, для сушки и придания объема или для сушки и укладки волос в прическу? В зависимости от этого вам потребуется фен с той или иной насадкой (насадкой-концентратором или насадкой-диффузором), либо фен-щетка. Важный параметр — мощность прибора, лежащая в пределах от 200 Вт до 2000 Вт. Учтите, что очень мощный фен высушит ваши волосы быстрее на 1—2 минуты, но при этом вы рискуете, во-первых, не успеть уложить прическу, а во-вторых, просто обжечь волосы и кожу головы. При частом пересушивании кожи появляется риск появления перхоти.

Сегодня практически в любом магазине бытовой техники можно найти не менее десятка моделей на любой вкус, всех цветов и ценовых категорий. В качестве примера рассмотрим несколько моделей.

В защите от перегрева нуждается не только фен, но и наши волосы. Такую защиту обеспечивает фен PH 542 от Rowenta (рисунок 1).

Рисунок 1. Фен PH 542 (Rowenta)

Производитель: Rowenta

Модель: PH 542

Дополнительно: Cистемf Thermo Optimum позволяет выбрать оптимальную силу и температуру воздушного потока из 12 индивидуальных комбинаций.

Мощность: 1800W

Кнопка «Турбо» увеличивает скорость воздушного потока на полшага, а кнопка подачи холодного воздуха снижает температуру потока до комнатной для закрепления укладки.

Рассмотрим фен Babyliss серии Pro Line, в котором применяется мотор переменного тока, какие используются в профессиональных моделях. Система с высоким крутящим моментом High Torque System дает двойную эффективность: это и быстрая сушка волос, легкая их укладка. Главные составляющие High Torque System — это профессиональная центробежная турбина, заменяющая традиционный осевой винт, что увеличивает напор воздуха на 50%, и новый высокопроизводительный двигатель постоянного тока, крутящий момент которого выше на 50% стандартного двигателя (рисунок 2).

Рисунок 2. Профессиональная центробежная турбина High Torque System

В результате, модель D311E мощностью 1900 Вт создает поток воздуха с расходом 4,8 г/мин. При работе без аксессуаров это обеспечивает легкое проникновение воздуха в массу волос и их быструю сушку. При работе с концентратором: в режиме укладки волос воздушному потоку придается высокая скорость, что способствует проникновению воздуха в пряди.

Производятся и фены с двигателем с питанием от постоянного тока. Например, фен Philips HP 4892 (рисунок 3).

Рисунок 3. Фен фирмы Philips

Описание фена Philips HP 4892:

Тип обычный

Мощность 1800 Вт

Насадки 2 / сверхузкая профессиональная насадка и керамическая насадка /

Режимы 3 / 3 установки температуры и скорости /

Подача холодного воздуха +

Дополнительные функции и возможности фена Philips HP 4892:

• система PowerProtect;

• технология EHD: элемент для равномерного нагрева обеспечивает оптимальную подачу воздуха;

• технология применения керамики: керамический элемент для мягкого нагрева и максимальной защиты;

• профессиональный двигатель с питанием от постоянного тока;

• ионное кондиционирование;

• светодиодный индикатор;

• ручка с резиновым покрытием;

• петля для подвешивания;

• цвет – черный.

А также очень важно:

Ионное кондиционирование – встроенный в фен ионизатор испускает отрицательно заряженные частицы – ионы, которые нейтрализуют положительный заряд. Это восстанавливает баланс отдельных прядей и удаляет статическое электричество. В результате волосы становятся мягче, лучше поддаются укладке и прекрасно держат прическу.

Профессиональный двигатель с питанием от постоянного тока – износостойкий двигатель с питанием от постоянного тока создает при низком напряжении мощный воздушный поток, сжимая воздух. Благодаря сжатию воздуха включение холодного обдува дает дополнительное охлаждение.

Керамический нагревательный элемент – излучает инфракрасные волны, создавая мягкое тепло, защищающее волосы от перегрева, при этом скорость и эффективность устройства не снижается.

Все выше рассмотренные модели предназначены для использования фена в домашних условиях. Недостатками таких фенов является то, что они не сочетают в себе всех необходимых функций. А также в наше время деловым женщинам, находящимся чаще на работе или в дороге за рулем физически не хватает времени на сушку и укладку волос в домашних условиях.

Поэтому необходимо разработать такой фен, который будет удовлетворять следующим требованиям: работать от постоянного напряжения 12В, должна быть предусмотрена панель управления с возможностью ручной настройки температуры и напора подаваемого воздуха, а также иметь цифровой дисплей для индикации температуры воздуха.

1. Техническое задание на разработку СУ

1.1 Общие требования

Полное наименование системы: «Система управления автомобильным феном».

Система создается на основании статей и Internet сайтов и другой литературы указанной в перечне.

Результаты проделанной работы по созданию системы (её частей), оформляется в качестве курсового проекта по предмету «Технология проектирования и производства автоматизированных систем управления».

1.2 Назначение и цели создания системы

Назначение системы. Разрабатываемая система управления автомобильным феном (именуемая в дальнейшем – система) относится к классу бортовых систем и предназначена для установки в автомобилях отечественного и зарубежного производства в качестве дополнительного оборудования.

Данную систему можно использовать в быту и в технологических операциях на производстве, где требуется подогрев воздуха и управление его скоростью движения.

Объект управления: воздух.

Цели создания системы. Целью курсового проекта по созданию системы является приобретение навыков разработки конструкторской документации на конкурентно способное изделие, реализация которого ориентирована на рынок.

Показатели объекта автоматизации, которые должны быть достигнуты в результате создания системы:

— точность поддержания температуры воздуха — 1 0С;

— диапазон регулирования температуры воздуха — от 20 до 70 0С.

1.3 Характеристика объекта управления

Минимальная температура поступающего в систему воздуха — 10 0С.

1.4 Требования к системе управления

Требования к системе в целом. Система управления должна обеспечить работу от постоянного напряжения 12В — 24В, должна быть предусмотрена панель управления с возможностью ручной настройки температуры и скорости движения воздуха, а также иметь цифровой дисплей для индикации температуры воздуха.

Требования к надёжности:

— наработка на отказ – 800 часов;

— гарантийный срок 1,5 года;

— долговечность (срок службы) — 10 лет;

— должна быть обеспечена ремонтопригодность, при этом среднее время восстановления не более 1 часа.

Требования к методам оценки и контроля показателей надёжности на разных стадиях создания системы в соответствии с действующими нормативно-техническими документами (курс – «Надёжность технических систем»).

Требования безопасности:

— требования к системе по электробезопасности не предъявляются;

— обеспечить пожаробезопасность.

Требования к эргономике и технической эстетике. Система должна удовлетворять современным требованиям технической эстетики и быть удобной в управлении.

Требования к эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту и хранению системы:

 эксплуатация системы должна осуществляться автономно;

 предусмотреть возможность проведения ежегодных регламентных работ при прохождении автомобилем периодического технического осмотра;

 ремонт системы в условиях специализированной мастерской;

 хранение в соответствие с ГОСТ 15150-80.

Требования по сохранности информации при авариях: не предъявляются.

Требования к защите от влияния внешних воздействий:

— температура окружающей среды от минус 50 до + 70 С;

— влажность 98 % при температуре + 35 С;

— давление 760 + 140 мм. рт. ст;

— вибрация от 1 до 150 Гц с ускорением до 6g (60 м/c²);

— удары до 50g при 2-6 мс.;

— пыль, капли дождя, брызги, пары бензина.

Система должна функционировать в условиях воздействия радиопомех, электрических, магнитных и электромагнитных полей создаваемых электрическим оборудованием автомобиля.

Требования к аппаратуре системы управления с точки зрения воздействия на смежные системы. Система не должна греть смежные системы, не создавать вибрационные и ударные перегрузки, не шуметь, не излучать и т.д.

Патентно-правовые требования. Патентная чистота системы и её частей должна быть обеспечена в отношении стран: Германия (Bosch, Braun, Rowenta, Siemens), Франция (Babyliss), Голландия (Philips).

Требования технологичности, стандартизации и унификации. Разработка КД системы должна проводиться в соответствие с требованиями нормативно-технических документов, устанавливающих степень использования стандартных, унифицированных методов реализации функций (задач) системы, поставляемых программных средств, типовых математических методов и моделей, типовых проектных решений и т.п. (курс – «Конструирование и технология производства аппаратуры СУ»).

Дополнительные требования:

 требования к упаковке, маркировке, транспортированию и хранению;

 требования к конструкторской, эксплуатационной и ремонтной документации;

 комплектность ЗИП, специнструмент и приспособления;

 экономические показатели и др. (в соответствии с нормативно-техническими документами и в рамках данного курсового проекта не рассматриваются).

Технические требования к параметрам и характеристикам системы управления:

— точность регулировки температуры подаваемого воздуха — 1 С;

— диапазон регулирования температуры воздуха — от 20 до 70 С;

— погрешность измерения скорости движения воздуха — не более + 5%;

— диапазон измерения скорости движения воздуха — 20 м/с;

— параметры питающей сети — аккумуляторная батарея 12 или 24 В.

— в случае выхода системы из строя питающая сеть не должна закорачиваться;

— габаритно-массовые характеристики должны быть минимальными.

Система управления должна иметь звуковую сигнализацию по достижению объектом управления конечных пределов регулирования, а также в случае превышения допустимого значения потребляемого тока, что может быть следствием, например, механического заклинивания вала двигателя. Звуковая сигнализация должна оставаться включенной до тех пор, пока водитель не отпустит одну из кнопок управления.

Требования к видам обеспечения. В пояснительной записке к курсовому проекту должны быть приведены:

 в рамках математического обеспечения системы формулы и алгоритмы законов управления системы;

 в рамках информационного обеспечения системы должны быть приведены параметры информационного обмена между компонентами системы;

 в рамках программного обеспечения система должна запоминать и воспроизводить исходное положение зеркал;

 в рамках технического обеспечения система должна строиться на отечественной элементной базе и только в технически обоснованном случае допускается применение зарубежной элементной базы.

1.5 Состав и содержание работ по созданию системы

В процессе выполнения курсового проекта (в течение 11-го семестра) должны быть разработаны: структурная (Э1), функциональная (Э2) и электрическая (Э3) схемы системы.

1.6 Порядок контроля и приёмки системы

Защита курсового проекта проводится в один этап (11-го семестра).

Требования к документации. Материалы курсового проекта должны быть оформлены в соответствие с требованиями к КП.

1.7 Источники разработки

Конспекты лекций по курсу «Технология проектирования и производства автоматизированных систем управления», ТАУ и ЦСУ, метрологии, цифровой схемотехнике, микропроцессоры и программирование, надежности, передача данных, автоматизированное проектирование систем и средств управления, фонд библиотеки МФ ЭТФ ЮурГУ и информационных сайтов системы Internet.

Студент Руководитель проекта

_________________Н.А. Софронова _________________Ю.В. Ерилов

2. Структурная схема системы управления и назначение её элементов

Современная управляющая система включает в себя различные технические средства, которые могут быть подразделены на следующие четыре класса: средства для восприятия и первичного преобразования информации; средства для передачи и представления информации; средства для переработки информации; средства для получения управляющих воздействий. Их роль поясняется на структурной и функциональной схемах.

Структурная схема системы автоматического регулирования (САР) – графическое изображение такой системы в виде совокупности частей, на которые её можно разделить по определённым признакам, и связей между частями с указанием направления передачи воздействий. Структурные схемы систем управления вообще строят по конструктивному, функциональному либо алгоритмическому принципу. В автоматическом регулировании используются преимущественно алгоритмические структурные схемы, полностью отображающие динамические свойства САР. По дифференциальным уравнениям, описывающим некую САР, можно построить её алгоритмическую структурную схему, и наоборот, зная такую структурную схему можно составить дифференциальные уравнения, описывающие САР.

Обобщенная структурная схема современных СУ приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Обобщенная структурная схема современных систем управления

Из курса «Технология проектирования и производства автоматизированных систем» известны следующие типы структурных схемы:

 система управления по положению;

 система управления по возмущению;

 система управления по положению с компенсацией по отклонению;

 система управления по положению с компенсацией по возмущению;

 система управления по положению с компенсацией по возмущению и отклонению.

На основании перечисленных схем для данного курсового проекта выбираем систему управления по положению, которая состоит из объекта управления, исполнительного органа (нагревателя и двигателя (компрессора)), задатчика, усилителя мощности, датчика, преобразователя и корректирующего контура (регулятора).

В данном случае объект управления представляет собой – воздух, т.к. будем управлять температурой и напором подаваемого воздуха. Для наших целей потребуется два исполнительных органа: нагреватель и компрессор.

Для регулировки температуры и напора используем отрицательную обратную связь, в которой поставим датчики (для получения информации с объекта управления) и преобразователи после них, т.к. информация с датчиков, скорее всего, будет поступать не в нужной нам форме. Преобразователь представит информацию в нужном нам виде. Задатчик сформирует значения температуры и напора, необходимые пользователю. С помощью сумматора-вычитателя эти значения будут сравниваться с полученными с датчиков, проходить через корректирующие контура, усиливаться и управлять, таким образом, исполнительными органами, чтобы уменьшить рассогласование. Корректирующий контур в зависимости от разности между имеющимися параметрами объекта управления и необходимыми будет формировать необходимое управляющее воздействие, которое будет ещё дополнительно усилено с помощью усилителя. Исполнительные органы будут нагревать воздух или изменять его напор, в зависимости от управляющих воздействий.

Таким образом, получилось две ветки управления: управление температурой воздуха и его напором. На рисунке 5 представлена структурная схема:

Рисунок 5. Структурная схема системы управления автомобильным феном

Обозначения:

ОУ – объект управления; УМ – усилитель мощности.

ИО – исполнительный орган; КК – корректирующий контур.

3. Выбор элементов и разработка функциональной схемы

3.1 Выбор исполнительных органов

3.1.1 Выбор двигателя

Электрический двигатель — это электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую, побочным эффектом является выделение тепла.

Существуют различные типы двигателей. Есть двигатели переменного тока, но т.к. в нашем проекте используется источник постоянного питания, то не рационально преобразовывать постоянное напряжение в переменное для питания двигателя.

Двигатели постоянного тока бывают магнитоэлектрические и электромагнитные. Свойства двигателей постоянного тока существенно зависят от того, как изменяется их магнитный поток с изменением нагрузки на валу. Эта зависимость определяется схемой включения их обмоток возбуждения. Различают двигатели параллельного, последовательного, смешанного и независимого возбуждения.

Основные схемы включения:

1) Магнитоэлектрическое возбуждение:

Рисунок 6. Схема включения двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением

Источник постоянного магнитного поля – постоянный магнит, то есть полюса выполнены из магнитотвёрдого материала.

2) Параллельное возбуждение:

Один источник питания, обмотка возбуждения (ОВ) обеспечивает магнитный поток. При изменении тока в двигателе, меняется напряжение на входе двигателя из-за падения на проводах и внутреннем сопротивлении источника питания.

Рисунок 7. Схема включения двигателя с параллельным включением

3) Последовательное возбуждение:

Обмотка возбуждения включена последовательно с якорной обмоткой, что обеспечивает автоматическую компенсацию магнитного потока при изменении тока.

Рисунок 8. Схема включения двигателя с последовательным возбуждением

4) Смешанное возбуждение:

В двигателе две обмотки возбуждения: основная и дополнительная. Основная подключается параллельно с якорной обмоткой, дополнительная – последовательно и обеспечивает компенсацию магнитного потока при изменении тока в обмотке якоря.

5) Независимое возбуждение:

Для питания двигателя используется два независимых источника питания. Изменение тока в обмотке якоря не сказывается на потоке возбуждения.

Рисунок 9. Схема включения двигателя со смешанным возбуждением

Рисунок 10. Схема включения двигателя с независимым возбуждением

Пусковой реостат (Rп) используется для ограничения тока в момент включения, т.к. в момент включения пусковой ток в мощных двигателях в 10-20 раз превышает номинальный ток. Для двигателей малой мощности пусковой ток составляет от 3 до 5 номинального. Двигатели малой мощности допускается включать в сеть без пусковых реостатов.

Двигатели независимого возбуждения наиболее полно удовлетворяют основным требованиям к исполнительным двигателям: самоторможение двигателя при снятии сигнала управления (отсутствие самохода), широкий диапазон регулирования частоты вращения, линейность механических и регулировочных характеристик, устойчивость работы во всем диапазоне частот вращения, большой пусковой момент, малая мощность управления, высокое быстродействие, малые габариты и масса. Однако эти двигатели имеют существенные недостатки, накладывающие ограничение на область их применения: малый срок службы щеточного устройства из-за наличия скользящего контакта между щетками и коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех, грязь и искрение, опять же из-за щёточно-коллекторного узла.

Бесколлекторные же двигатели могут работать условиях широкого диапазона температур окружающей среды, в вакууме, в средах с большой влажностью и т.п., где применение коллекторных двигателей недопустимо из-за неработоспособности щеточно-коллекторного узла. Но бесколлекторные двигатели постоянного тока имеют большой недостаток: сложная схема управления.

Рисунок 11. Схема бесколлекторного двигателя

Выбираем бесколлекторный двигатель постоянного тока с независимым возбуждением.

3.1.2 Выбор нагревателя

В данном курсовом проекте должны быть обеспечены такие требования к нагревателю, как диапазон регулирования температуры воздуха — от 20 до 70 С.

Известны следующие электронагревательные элементы:

1. Трубчатые электронагреватели (ТЭН)

ТЭН предназначены для нагрева различных сред путем конвекции, теплопроводности и излучения посредством преобразования электрической энергии в тепловую.

ТЭН изготавливаются: длиной от 0,2 до 6 метров; диаметром от 6 мм до 18,5 мм; любой конфигурации; любых электротехнических параметров; из стали, из нержавеющей стали, титана.

Рисунок 12. ТЭН

2. Трубчатые электронагреватели оребрённые (ТЭНР)

ТЭНР предназначены для нагрева воздушных сред неподвижного и движущегося воздуха. Эффективный отвод тепла в окружающую газовую среду.

Нагреватели изготавливаются из нержавеющей и конструкционной стали, оребряются лентой и наборными шайбами.

Рисунок 13. ТЭНР

3. Блок электронагревателей (ТЭНБ)

ТЭНБ предназначены для обеспечения повышенной мощности при нагреве жидких и сыпучих сред.

Любая мощность, различный материал оболочки и фланцев. Исполнение фланцев с болтовым и резьбовым креплением.

Рисунок 14. ТЭНБ

4. Трубчатые электронагреватели патронного типа (ТЭНП)

ТЭНП предназначены для нагрева пресс-форм и используются в качестве комплектующих изделий в промышленных установках. Контактные выводы расположены с одной стороны. Оболочка ТЭНП выполнена из нержавеющей трубы со шлифованной поверхностью, обеспечивающей очень плотную посадку нагревателя в отверстие нагреваемого тела с зазором по диаметру не более 0,02 мм.

Рисунок 15. ТЭНП

5. Плоские электронагреватели (СКП)

СКП применяются для нагрева различных поверхностей и могут быть изготовлены любого размера и различной конфигурации. Максимальная удельная мощность 3,5 Вт/см.кв., при обеспечении хорошего теплосъема до 5 Вт/см. кв.

Рисунок 16. СКП

6. Электрические нагревательные ленты (ЭНГЛ)

Используются для защиты от замораживания, компенсации теплопотерь или технологического подогрева трубопроводов и резервуаров.

Рисунок 17. ЭНГЛ

ЭНГЛ-1 — плетеная лента из стеклонити, в основе которой восемь нагревательных жил из нихрома. С наружи нагреватель покрыт из водонепроницаемой оболочки из кремнийорганической резины.

ЭНГЛ-2 — плетеная лента из стеклонити, в основе которой восемь нагревательных жил из нихрома. Снаружи нагреватель покрыт из водонепроницаемой оболочки из композиции полиэтилена.

ЭНГЛУ 400 — лента из стеклонити, пропитанная органосиликатной композицией, в основе которой находятся восемь нагревательных жил из нихрома. Электрическая нагревательная лента высокой мощности для обогрева трубопроводов и резервуаров.

Технические характеристики ЭНГЛ: Максимальная температура 60,180,400 ºС; ширина 22-24мм; толщина 2,0-3,5мм; напряжение 220-380В; тепловыделение от 100 до 300 Вт/м; водонепроницаемая конструкция.

ЭНГЛ предназначены для использования в стройиндустрии для подогрев битума/асфальта; в химической промышленности для экструдеров, термопластавтоматов; при обработке металлов для плавления легкоплавких сплавов; при обогреве плит прессов, штампов, пресс-форм и т.д.

ЭНГКЕх-1. Электрический нагревательный кабель применяется для технологического подогрева или поддержания заданной температуры трубопроводов и резервуаров, в том числе в опасных зонах.

Технические характеристики ЭНГКЕх-1: максимальная температура 180ºС; одобрен для применения во взрывоопасных зонах; напряжение 220-380В; тепловыделение до 50 Вт/м; водонепроницаемая конструкция.

7) хомутовые (ХН) и полухомутовые (ПХН) электронагреватели

ХН и ПХН электронагреватели применяются для нагрева трубопроводов различного диаметра, экструдеров, в термопластавтоматах, литьевых и других машин. Максимальная удельная мощность 3,5 Вт/кв. см, при обеспечении хорошего теплосъема до 5 Вт/кв. см.

Рисунок 18. ХН и ПХНП

8) кольцевые нагреватели ТИП (КНП)

КНП нагреватели предназначены для обогрева инжекторов, сопел литьевых машин, литниковых втулок и т.п. диаметром от 8 мм и более. Навивка выполняется, как с постоянным, так и с переменным шагом. Материал оболочки нержавеющая сталь, максимальная рабочая температура оболочки 650ºС.

Рисунок 19. КНП

9) карбидокремниевые нагреватели (КЭН)

КЭН применяют при производстве изделий из металла, керамики, стекла и др. материалов с осуществлением операций термообработки, обжига, спекания, закалки, отжига, цементации, азотирования, диффузии, плавки и пайки. КЭН применяются в электропечах сопротивления периодического и непрерывного действия при температуре на поверхности рабочей части КЭН до 1450ºС. Тип КЭН А П С диаметр рабочей части от 8 до 30 мм, диаметр выводов от 12 до 45 мм, общая длина до 3м. Тип КЭН В П С диаметр нагревателя от 14 до 45 мм, общая длина до 3 м.

Рисунок 20. КЭН

Исходя из всего вышеперечисленного, можно сделать вывод, что для автомобильного фена наиболее подходят оребрённые трубчатые электронагреватели, поскольку они предназначены для нагрева воздуха и их форма позволяет наиболее хорошо прогреть воздух. Его лучше всего поместить после компрессора, чтобы воздух прогревался и выдувался, а не застаивался в одном месте около нагревательного элемента.

3.2 Выбор датчиков

В технической литературе используют синонимы: датчик, измерительный элемент, первичный преобразователь, измерительный преобразователь. В САУ датчики относятся к классу преобразователей внешних воздействий в электрические сигналы.

К датчикам обычно предъявляют следующие требования:

1) линейность;

2) чувствительность (или разрешающая способность);

3) стабильность характеристик во времени, в температуре, давлении, влажности и т.д.;

4) устойчивость к химическим и механическим воздействиям;

5) технологичность.

3.2.1 Выбор датчика скорости воздушного потока

Датчик скорости воздушного потока должен обеспечивать измерение скорости воздушного потока в воздуховоде исходя из следующих требований:

— диапазон измерения скорости движения воздуха — 20 м/с;

— погрешность измерения скорости движения воздуха — не более + 5%.

Известны различные варианты построения измерителей скорости потока воздуха, которые могут быть использованы в автомобильном фене:

 Чашечные анемометры (рисунок 21). Применяются главным образом для измерения средней скорости движения воздуха от 1 до 20 м/с. Приемной частью анемометра является четырех чашечная метеорологическая вертушка для измерения скорости ветра независимо от его направленности. Для измерения скорости анемометр вносят в воздушный поток так, чтобы ось вертушки чашечного анемометра располагалась перпендикулярно воздушному потоку.

Рисунок 21. Чашечный анемометр

 Крыльчатые анемометры (рисунок 22) используются в основном в воздуховодах и каналах для измерения скорости направленного воздушного потока от 0,2 до 10 м/с. В стандартном исполнении они всегда соединены с указателем, который дает среднее значение скорости в течение определенного времени, как правило, за минуту, хотя современные анемометры производят измерения даже за более короткий срок до 10 секунд. Оснащенный генератором постоянного тока, крыльчатый анемометр позволяет, будучи соединенным, с вольтметром, сразу определяет скорость воздушного потока в мерном сечении. Приборы такого типа очень хорошо подходят для дистанционных измерений.

Рисунок 22. Крыльчатый анемометр

 Метод измерительного раструба. Устройство, оснащенное выравнивающей решеткой, подсоединяют к отверстию. Скорость воздушного потока измеряют в минимальном сечении раструба. Измерение расхода воздуха через воздухораздающие устройства с применением различных контрольно-измерительных приборов. На рисунке 23 представлено, измерение с помощью термоанемометра или анемометра с крыльчаткой.

Рисунок 23. Измерение с помощью термоанемометра

Удовлетворительные результаты измерений достигаются, если потери давления в отверстиях значительно больше, чем потери в раструбе. Этот метод наиболее широко применяется для измерения расхода воздуха через решетки, диффузоры, анемостаты.

 Зонды-крыльчатки. Принцип измерения скорости потока зондом-крыльчаткой основывается на преобразовании скорости вращения в электрические сигналы. Поток воздуха заставляет крыльчатку вращаться. Индукционный бесконтактный переключатель “считает” количество оборотов крыльчатки и подает последовательность импульсов, которые преобразуются измерительным прибором и отображаются на дисплее в виде значений скорости потока.

Рисунок 24. Крыльчатка

Для измерения скорости потока воздуха в автомобильном фене будет использована крыльчатка (рисунок 24), которая находится внутри воздуховода. В зависимости от скорости движения воздушного потока по воздуховоду меняется угловая скорость оси вращения крыльчатки.

Известно несколько датчиков, на основе которых строятся измерители угловой скорости оси вращения крыльчатки. Вот некоторые из них:

3.2.1.1 Резистивный датчик

На половину поверхности оси крыльчатки в месте, где она соприкасается с корпусом, помещается проводящий материал (резистор), если сама ось не проводит электрический ток. А на корпус (не проводящий) в двух местах выводятся скользящие контакты таким образом, чтобы при вращении крыльчатки контакты то замыкались, то размыкались. Следовательно, одному повороту крыльчатки будет соответствовать один полный импульс от контактов.

У этого способа существует ряд недостатков. Во-первых, это дребезг контактов, во-вторых, это истирание элементов, которое в конечном итоге выводит датчик из строя.

3.2.1.2 Емкостной датчик

На оси крыльчатки помещают полукруглую обкладку конденсатора. На корпусе – парная ей обкладка (тоже в виде полукруга). При вращении крыльчатки ёмкость получившегося конденсатора изменяется от минимальной (при полном расхождении обкладок) до максимальной (когда обкладки полностью совпадают). В процессе вращения крыльчатки изменяется емкость образованного конденсатора.

3.2.1.3 Оптический датчик

На корпусе крыльчатки поместим светодиод и фотодиод таким образом, чтобы при вращении лопасти крыльчатки то перекрывали луч света, то нет. Таким образом, будет формироваться импульсы, число которых, равное количеству просветов между лопастями, будет соответствовать одному обороту крыльчатки. Этим способом можно увеличить точность измерения, т.к. одному обороту крыльчатки соответствует несколько импульсов, а не один.

Но есть и недостаток: при сильной запылённости фото- и светодиоды могут загрязняться, что приведёт к исчезновению сигнала и необходимости чистки.

Для измерения скорости потока воздуха в фене будем использовать оптический датчик, т.к. сигнал с него проще всего обрабатывать (у емкостного датчика сигнал на выходе нелинейный), он надёжный (в отличие от резистивного датчика) и дешёвый, а так же очень маленький и лёгкий.

3.2.2 Выбор датчика температуры

В данном курсовом проекте должны быть обеспечены следующие требования к датчику:

— точность поддержания температуры воздуха — 1 0С;

— диапазон регулирования температуры воздуха — от 20 до 70 0С.

Рассмотрим различные способы измерения температуры:

3.2.2.1 Термоэлектрический метод

Принцип действия термоэлектрических термометров основан на использовании тремоэлектрического эффекта, который заключается в том, что в замкнутой цепи, состоящей из двух или нескольких разнородных проводников, возникает электрический ток, если хотя бы два места соединения этих проводников имеют разную температуру.

Рисунок 25. Принцип действия термоэлектрических термометров

На рисунке 25 представлены два разных проводника из однородного материала, концы которых соединены и имеют разную температуру: t и t0.

Термоэлектрический эффект объясняется наличием в металлах свободных электронов, число которых в единице объема различно для разных металлов. На конце с температурой t электроны из металла А диффундируют в металл В в большем количестве, чем в обратном направлении, поэтому металл А заряжается положительно, а металл В – отрицательно. В месте соприкосновения проводников возникает электрическое поле, препятствующее диффузии. Когда скорость диффузии электронов становится равной скорости их обратного перехода под влиянием установившегося электрического поля, наступает состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между проводниками А и В возникает некоторая разность потенциалов, т.е. термо-ЭДС, зависящая также и от температуры мест соединения проводников 1 и 2.

В простейшей термоэлектрической цепи, составленной из двух разнородных проводников А и В, возникает четыре ЭДС. Две возникают в местах соединений проводников (они будут различны, так как различны температуры). Кроме того, в каждом однородном проводнике, концы которого имеют разные температуры, появляется разность потенциалов.

Рисунок 26. Термоэлектрический термометр

Термоэлектрический термометр представляет собой два термоэлектрода 3 (тонкие проволоки диаметром 0,5 или 1,2 мм) из разных металлов, одни концы 1 (рисунок 21) которых сварены между собой, а к другим разомкнутым свободным концам 4 подводятся соединительные провода. Для защиты от механических повреждений и вредного воздействия среды, температура которой измеряется, термоэлектроды, армированные изоляцией, помещают в защитную арматуру 2. Термоэлектрический термометр погружают в среду температуру которой необходимо измерить. Концы 1 называют рабочим концом термоэлектрического термометра (он находится в измеряемой среде), а концы 4 – свободным концом (он находится обычно в помещении цеха, лаборатории).

В настоящее время наибольшее распространение получили стандартные термоэлектрические термометры с металлическими термоэлектродами.

В последнее время были созданы термоэлектрические термометры с термоэлектродами из тугоплавких соединений или их комбинаций с графитом и другими материалами, предназначенные для измерения высоких температур. Однако они ещё не получили распространения для контроля температур технологических процессов в отрасли.

К числу достоинств термоэлектрических термометров следует отнести достаточно высокую степень точности, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких термоэлектрических термометров через переключатель к одному измерительному прибору, возможность автоматической записи измеряемой температуры с помощью самопишущего прибора, возможность раздельной градуировки измерительного прибора и термоэлектрического термометра.

3.2.2.2 Термометры сопротивления

Термометры сопротивления широко применяют для измерения температуры в интервале от –260 до 750 С. В отдельных случаях они могут быть использованы для измерения температур до 1000 С.

В качестве материала для изготовления термометров сопротивления используются как чистые металлы, так и ряд полупроводников.

Действие термометров сопротивления основано на свойстве проводников и полупроводников изменять свое электрическое сопротивление с изменением температуры окружающей их среды.

Известно, что температурный коэффициент электрического сопротивления металлов положительный (сопротивление возрастает при повышении температуры), а полупроводников – отрицательный (сопротивление уменьшается при повышении температуры). Это объясняется различием в их молекулярном строении. Электрическое сопротивление металла увеличивается с повышением температуры в связи с возрастающим рассеянием электронов на неоднородностях кристаллической решетки, обусловленным увеличением тепловых колебаний ионов вокруг своих положений равновесия. Число носителей тока – электронов проводимости – очень велико и не зависит от температуры. У полупроводников с увеличением температуры резко возрастает число электронов проводимости (носителей тока), поэтому электрическое сопротивление резко уменьшается.

Измерение температуры с помощью электрических термометров сопротивления сводится к измерению активного сопротивления термометра, что обычно осуществляется измерением тока в цепи. Измерительная схема состоит из трех элементов: термометра сопротивления, электроизмерительного прибора для тока и источника питания.

Рисунок 27. Металлический термометр сопротивления

Металлические термометры сопротивления получившие наибольшее распространение (рисунок 27), имеют чувствительный элемент в виде тонкой (диаметром 0,05 мм) проволоки 2, намотанной на слюдяную пластину 1 (или пластмассовый цилиндр) и помещенный в защитный чехол 3. проволоку изготовляют в основном из чистых платины или меди. В соответствии с этим различают термометры сопротивления платиновые (ТСП) и термометры сопротивления медные (ТСМ).

У чистых металлов сопротивление больше, чем у сплавов, поэтому для изготовления термометров сопротивления используют чистые металлы.

Для металлических термометров сопротивления ТСП и ТСМ стандартных градуировок стандартизованы градуировочные таблицы, пользуясь которыми можно определить по измеренному значению сопротивления термометра температуру окружающей его среды и, наоборот, определить сопротивление термометра для различных значений температуры.

Металлические термометры сопротивления имеют следующие достоинства: высокую точность измерения, возможность использования в комплекте с ним измерительных приборов со стандартными шкалами, взаимозаменяемость, возможность централизации контроля температуры путем присоединения нескольких взаимозаменяемых термометров сопротивления через переключатель к одному измерительному прибору, возможность использования их с информационно вычислительными системами.

Для изготовления чувствительных элементов полупроводниковых термометров сопротивления (терморезисторов) применяют смеси различных полупроводниковых веществ: окислов меди и марганца, окислов кобальта и марганца, двуокиси титана и окисла магния и т.д. для измерения низких температур используется германиевый термометр сопротивления.

Чувствительный элемент терморезисторов изготовляют различной формы. Наиболее распространены формы в виде небольшого цилиндра, стержня, шайбы и бусинки. Для предохранения от возможных механических повреждений и вредного воздействия среды, температура которой измеряется, чувствительный элемент покрывают эмалью, помещают в защитный чехол.

Рисунок 28. Терморезисторы

На рисунке 28 – a) представлен полупроводниковый терморезистор, чувствительный элемент которого выполнен в виде небольшого цилиндрического стержня 8, покрытого эмалевой краской и металлической фольгой 3, с контактными колпачками 2, 4 и выводами 1, 5. снаружи терморезистор защищен чехлом 7, в верхней части которого имеется стеклянный изолятор 6.

На рисунке 28 – б) показан терморезистор, у которого чувствительный элемент 1 выполнен в виде шарика диаметром 0,5 мм, защищенного стеклянной оболочкой 4. В шарик вмонтированы платиновые электроды 2, соединенные с выводами 3.

Для выпускаемых промышленностью полупроводниковых терморезисторов (ПТР) зависимость их сопротивления от температуры, не превышающей 100 С, определяется по формуле:

,

где Rt – сопротивление термометра при температуре Т, выраженной в кельвинах;

А, В и b – постоянные коэффициенты, зависящие от материала термометра и его конструкции.

К достоинствам полупроводниковых термометров сопротивления относятся: большая чувствительность, которая примерно на порядок выше чувствительности металлических термометров сопротивления; малая инерционность, что имеет существенное значение для исследования нестационарных тепловых процессов; большое сопротивление (от единиц до сотен кило Ом), позволяющее не учитывать при измерении температуры изменение сопротивления соединительных проводов при изменении температуры окружающей среды.

Однако полупроводниковые терморезисторы имеют и ряд существенных недостатков, препятствующих широкому распространению их на производстве. К ним в первую очередь относится большой разброс температурных даже внутри одного и того же типа (значительно отличаются номинальные значения сопротивлений и температурные коэффициенты для термометров одного и того же типа). Это исключает взаимозаменяемость и возможность получения градуировочной таблицы для определенного типа полупроводниковых терморезисторов. Каждый экземпляр терморезистора, предназначенный для измерения и сигнализации температуры, необходимо градуировать индивидуально. К другим недостаткам относятся нелинейность зависимости электрического сопротивления от температуры и малая допустимая мощность рассеивания при прохождении измерительного тока.

При измерении температуры в промышленных условиях электрические термометры сопротивления применяют в комплекте с логометрами, автоматическими уравновешенными мостами и автоматическими компенсационными приборами. При этом необходимо иметь в виду, что эти приборы снабжают шкалой, отградуированной в градусах Цельсия, которая действительна только для определенной градуировки термометра сопротивления и заданного значения сопротивления проводов, соединяющих термометр с измерительным прибором.

На основании заданного диапазона температур от tmin = 20°С и до tmax = 70°С в качестве первичного измерительного прибора возьмем медный термометр сопротивления, так как использование термоэлектрических термометров считаю нецелесообразным в этом диапазоне температур.

3.3 Выбор преобразователей

3.3.1 Выбор преобразователя для датчика расхода воздуха

В данном проекте для преобразования сигнала с оптического датчика выбираем следующую схему.

Рисунок 29. Схема преобразования сигнала с оптического датчика

3.3.2 Выбор преобразователя для датчика температуры

Рассмотрим первый способ преобразования сопротивления в напряжение.

Рисунок 30. Схема преобразования Rt в U

В данной схеме источник не очень стабильный и выбирается с погрешностью ±10%. Недостатками схемы является: нелинейная зависимость; R0 обладает температурным коэффициентом; а также ее нестабильность.

Второй способ – мостовая схема.

Рисунок 31. Мостовая схема с усилителем

В данной схеме . В данном курсовом проекте для преобразования сигнала с датчика температуры выбираем мостовую схему с усилителем, изображенную на рисунке 31.

3.4 Выбор корректирующего контура (регулятора)

Назначение регулятора состоит в том, чтобы устанавливать и поддерживать на заданном уровне определённую физическую величину. Для этого регулятор должен определённым образом противодействовать воздействию возмущения. Регулятор влияет на регулируемую величину так, чтобы рассогласование было возможно меньшим.

Существует множество типов регуляторов. Рассмотрим основные из них:

1) П-регулятор (пропорциональный) – это линейный усилитель, фазовый сдвиг которого в частотном диапазоне входных воздействий пренебрежимо мал, а коэффициент усиления в цепи ОС контура регулирования больше 1. При использовании такого регулятора возникает статическая ошибка – отклонение действительного значения регулируемой величины от желаемого значения.

2) ПИ-регулятор (пропорционально-интегральный) – на низких частотах ведёт себя как интегратор, а на частотах выше, чем частота интегрирования, как пропорциональное звено. При использовании такого регулятора убирается статическая ошибка, система приобретает астатизм первого порядка, но существенно увеличивается время переходного процесса.

3) ПИД-регулятор (пропорционально-интегрально-дифференциальный) – на низких частотах ведёт себя как интегратор, на частотах выше, чем частота интегрирования, как пропорциональное звено, а на частотах выше граничной частоты дифференцирования ведёт себя, как дифференцирующее звено. При этом фазовый сдвиг увеличивается до 90º. Это фазовое опережение можно использовать для того, чтобы скомпенсировать фазовое отставание, которое возникает вблизи частоты среза. При этом можно установить больший коэффициент линейного усилителя (П-звено) и получить высокую частоту среза. Таким образом, уменьшается длительность переходного процесса, при этом сохраняются отсутствие статической ошибки и астатизм первого порядка.

3.5 Выбор усилителей

Усилитель – устройство, усиливающее мощность входного сигнала в нагрузке за счёт мощности источника питания.

Усилители бывают: усилители постоянного тока (УПТ), усилители низкой частоты (УНЧ), звуковой частоты (УЗЧ), широкополосные (ШПУ), высокой частоты (УВЧ), сверхвысокочастотные (СВЧУ), избирательные, резонансные или полосовые. Все усилители усиливают мощность. В зависимости от величины входного и выходного сопротивлений и сопротивлений источника сигнала и нагрузки, усилитель может быть усилителем тока, напряжения или мощности.

Усилитель по напряжению

Известны усилители, построенные на транзисторах, электронных лампах, операционных усилителях. На транзисторах схемы получаются сложные. Поэтому в данном случае их использование не понадобится. Усилители мощности на электровакуумных приборах обладают хорошими линейными характеристиками, но сегодня они используются редко из-за низкого КПД, надежности и больших габаритов. Усилители мощности на операционных усилителях находят самое широкое распространение.

В данной системе усилители – одни из основных звеньев, они служат для усиления сигнала и его мощности до величины, достаточной для управления исполнительным устройством, а так же для преобразования входного напряжения в ток.

Рассмотрим простейшие усилители по напряжению:

Рисунок 32. Инвертирующий усилитель по напряжению

На рисунке 34 R3 = R1∙R2/(R1+R2), а коэффициент усиления k = R2/R1.

Рисунок 33. Неинвертирующий усилитель по напряжению

На рисунке 33 k = R2/R1+1.

Стандартные операционные усилители обладают низкой нагрузочной способностью и питаются от источников с напряжениями от ±3 В до ±18 В. Рекомендуемое Uпит. = ±15 В. При этом Umax.вых. = ±12 В. Максимальный ток операционного усилителя в нагрузку не превышает 3 mA.

С целью обеспечения требуемого тока в нагрузку, необходимо использовать усилитель тока.

Рисунок 34. Усилитель с эмиттерным повторителем

Коэффициент передачи транзистора βтр =ik/iб. Ток усиливается, а напряжение уменьшается.

Рисунок 35. Усилитель мощности на операционном усилителе

На рисунке 35 R3 = R1*R2/R1+ R2. Введение эмиттерного повторителя в операционный усилитель обеспечивает увеличение тока в β раз.

С целью увеличения коэффициента усиления транзистора используются составные транзисторы:

Рисунок 36. Составной транзистор

У составных транзисторов коэффициенты перемножаются β = β1∙β2. В данной схеме легко обеспечить коэффициент усиления по току, но напряжение на транзисторе падает до 1,4 В.

Рисунок 37. Составной транзистор по схеме Шиклая

Рассеиваемая на транзисторе мощность P = Iк∙(Епит — Uн).

Ррасс. = ((Епит — Uн)∙Uн/Rн)/ (β/1+ β).

Рисунок 38

Umax нагрузки существенно отличается от Епит.

С целью повышения КПД используют следующую схему (рисунок 39):

Рисунок 39. Усилитель мощности для двигателя

Недостаток в такой схеме то, что для нормальной работы требуется 2 источника питания.

В целях исключения отрицательного источника используют следующую схему (рисунок 40).

Рисунок 40

Данная схема не обеспечивает управление якорной обмотки двигателя по току.

Известны следующие импульсные усилители мощности:

— с амплитудно-импульсной модуляцией (АИМ);

— с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);

— с время-импульсной модуляцией (ВИМ);

— с фазо-импульсной модуляцией (ФИМ);

— с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ);

— с частотно-широтно-импульсной модуляцией (ЧШИМ).

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями — вкл/выкл), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны (рисунок 41).

Рисунок 41. ШИМ

Достоинства ШИМ: простая схема, высокое КПД, легко реализуется.

Недостатки ШИМ: линейность нарушается в случае, когда .

При частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) изменяется частота повторения импульсов. При этом обычно остается постоянной либо длительность импульсов, либо их скважность (рисунок 42).

Рисунок 42. ЧИМ

Достоинства ЧИМ: хорошая линейность в период Т.

Недостатки ЧИМ: если , то процесс будет автоколебательного характера. Если , то процесс система становится нелинейная.

Рисунок 43. Схема усилителя мощности ШИМ на МОП транзисторе

Рисунок 44. Схема усилителя мощности для двигателя постоянного тока

Для управления двигателем необходимо использовать мостовую схему (для реверса), которая изображена на рисунке 45.

Рисунок 45. Схема управления двигателем с возможностью реверса

В данной системе сигналы с выходов усилителей (их два) поступают на двигатель и нагреватель. Двигателю реверс не нужен, необходимо только регулирование скорости вращения. Поэтому выбираем схему, изображённую на рисунке 43 (на МОП транзисторе), на вход которой будем подавать сигнал ШИМ, как наиболее оптимальную. Для управления двигателем также необходимо предусмотреть возникновение противо ЭДС, то есть поставить защитный диод (рисунок 44).

Функциональная схема изображена в приложении 1.

Электрическая схема изображена в приложении 2.

Заключение

Результатом проделанной работы являются полученные знание и практические навыки по разработке автоматизированных систем. Была разработана автоматизированная система управления автомобильным феном, на основе данного курсового проекта можно разработать работоспособное, конкурентоспособное устройство.

Список использованной литературы

1) Лекции по курсу «Технология проектирования и производства автоматизированных систем».

2) Лекции по курсу «Электрические устройства в СУ».

3) Лекции по курсу «Полупроводниковые приборы».

4) Усатенко С. Т., Каченюк Т. К., Терехова М. В. Выполнение электрических схем по ЕСКД: Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 325 с.

5) Большая советская энциклопедия.

6) Р. Граф. Электронные схемы. 1300 примеров.