Содержание

Введение 3

1 Техническое задание на разработку СУ 6

1.1 Общие требования 6

1.2 Назначение и цели создания системы 6

1.3 Характеристика объекта управления 6

1.4 Требования к системе управления 6

1.5 Состав и содержание работ по созданию системы 8

1.6 Порядок контроля и приемки системы 8

1.7 Источники разработки 8

2 Обоснование и выбор структурной схемы 9

3 Обоснование и выбор функциональной схемы 11

3.1 Выбор нагревателя 11

3.2 Обоснование способа управления исполнительным устройством 13

3.3 Выбор датчика и преобразователя сигналов 13

3.4 Обоснование и выбор схемы усилителя мощности 21

3.5 Выбор корректирующего контура 25

3.6 Выбор устройства вычитания 26

3.7 Выбор задатчика температуры 28

4 Принцип работы функциональной схемы 29

Заключение 30

Литература 31

Приложение 1

Приложение 2

Внимание!

Это ОЗНАКОМИТЕЛЬНАЯ ВЕРСИЯ работы №3506, цена оригинала 1000 рублей. Оформлена в программе Microsoft Word.

Оплата. Контакты.

Введение

В качестве темы курсового проекта предложено разработать подогреватель детского питания. Подогреватель детского питания предназначен для быстро нагрева продуктов и поддержания их температуры. Он оснащен новой системой управления нагревом, отвечающей самым требовательным стандартам безопасности. Благодаря своей уникальной конструкции Подогреватель детского питания подходит для любых бутылочек или банок детского питания. Подогреватель детского питания — это изделие с высокой производительностью, входящее в товарный ряд изделий по уходу за детьми. Оно предназначено как для бутылочек, так и для банок детского питания.

Разработка такого автоматического устройства является в настоящее время актуальной задачей, так как в быту нередко требуется поддержать заданную температуру в ограниченном объеме пространства. Это может быть аквариум, хранилище продуктов, куллер, инкубатор, сушильный шкаф или подогреватель детского питания.

Огромное разнообразие моделей подогревателей детского питания представлены в магазинах для детей и молодых мам, в магазинах бытовой техники, в Интернете. Привлекательный внешний вид, функциональные возможности подогревателей не остаются без внимания молодых родителей.

По данным информации Интернета самыми популярными являются подогреватели фирм TEFAL, AVENT, PHILIPS. Основным производителем является Великобритания.

Рассмотрим некоторые из них:

ТEFAL 91250 Описание: TEFAL 91250 — зеленый индикатор, указывающий на то, что бутылочка нагрелась до оптимальной температуры. Кнопка Вкл/Выкл со световым индикатором. Мощность 380 Вт / 230 В. Функция Electronic Security — подогрев бутылочки до оптимальной температуры, близкой к температуре

материнского молока. Автоотключение при достижении оптимальной температуры и поддержание этой температуры в течение часа. Прост в использовании: регулятор с градуировкой от 60 до 300 мл гарантирует достижение оптимальной температуры вне зависимости от количества жидкости в бутылочке. Экспресс функция для быстрого подогрева бутылочек и баночек с детским питанием

Цена: 1787 Руб.

SEVERIN BK 3176

Описание: пластмассовый корпус, мощность 120 Вт с регулятором температуры и дополнительной защитой от перегрева; контрольная лампочка; подъёмник

подогреваемого сосуда; намотка кабеля

SEVERIN BK 3176.

Цена: 1025 Руб.

TEFAL BH4250

Описание: TEFAL BH4250. Мощность – 450 Вт.

Подогрев бутылочек и баночек с учетом объема буты-лочки. Поддержание температуры в течение 30 минут. Световой индикатор готовности. Индикатор уровня воды. Автоотключение.

Цена: 1582 Руб.

Avent Подогреватель детского питания «EXPRESS»

Быстрый и безопасный способ подогреть сцеженное молоко, молочную смесь или детское питание. Подог-ревает бутылочки или чашки AVENT в среднем за 4

минуты. Ёмкость подогревателя имеет овальное сече-ние. Благодаря этому она вмещает бутылочки любого размера или формы. Внутренняя поверхность подогревателя выполнена из пластмассы, что исключает ожоги рук. Совместим со всеми типами бутылочек и чашек AVENT. Имеет литую вилку европейского стандарта. Система термостатического контроля исключает перегрев или закипание пищи, позволяет за считанные минуты

нагревать бутылочки или одноразовые пакеты с детским питанием. Подогреватель чрезвычайно удобен для приготовления питания ночью. В комплект входят: подогреватель детского питания, контейнер для хранения детского питания, ложечка для кормления.

Подогреватель детского питания Philips SBC SC 205

Нагреватель для бутылочек с пошаговой регулировкой нагрева, которая позволяет точно установить требуемую температуру детского питания. Система контроля температуры отвечает самым высоким требованиям безопасности. Уникальность данного нагревателя в том, что с ним можно использовать бутылочки и баночки всех известных типов и производителей.

Подогреватели просты в эксплуатации: устанавливают съёмную чашу в подогреватель; помещают в него бутылочку с питанием; заполняют подогреватель водой; нельзя наливать воду выше горлышка бутылочки, а также вода не должна переливаться через край прибора; после этого подключают прибор к сети и включают его в нужное положение. Горящий индикатор показывает, что прибор работает. Когда вода нагреется до нужной температуры, индикатор будет периодически выключаться. Это свидетельствует о том, что

температура воды поддерживается на заданном уровне.

Для очистки подогревателя следует отключить его от сети и дать ему остыть. Необходимо извлечь съёмную чашу и протереть внутреннюю и внешнюю поверхность подогревателя влажной тряпкой. Подогреватель снова будет выглядеть как новый. Нельзя использовать абразивные моющие средства. Во время мытья нельзя погружать прибор в воду. Чтобы подогреватель работал эффективно, следует примерно через четыре недели очищать его от накипи.

Таким образом, можно сделать вывод, что подогреватель детского

питания в настоящее время очень удобен, прост в использовании, по-пулярен.

Целью данного курсового проекта является разработка такого устройства, который должен обеспечить:

— уменьшение времени подогрева детского питания до оптимальной температуры;

— увеличение промежутка времени для поддержания необходимой температуры детского питания;

— простоту устройства;

1 Техническое задание на разработку СУ

1.1 Общие требования

Полное наименование системы: “Система подогрева детского пита-ния”.

Система создается на основании статей и Internet сайтов, а т.ж. лите-ратуры указанной в перечне.

Результаты проделанной работы по созданию системы (её частей), оформляется в качестве курсовой работы по предмету ” Проектирование аппаратуры систем управления ”.

1.2 Назначение и цели создания системы

Назначение системы. Разрабатываемая система управления подогревом детского питания относится к классу бытовых систем и предназначена для подогрева детского питания.

Система является замкнутой автоматической системой управления.

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

1.3 Характеристика объекта управления.

Объектом управления является молоко или детское питание.

Система должна обеспечивать нагревание детского питания до заданной температуры.

1.4 Требования к системе управления

Требования к системе в целом. Система управления должна обеспечивать нагрев молока или детского питания, температура которого недолжна превышать 37°С.

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;

— ремонт системы в условиях специализированной мастерской ;

— хранение в соответствие с ГОСТ 15150-80.

Требования к защите от влияния внешних воздействий:

— температура окружающей среды от минус 30 до + 50 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 и воды, брызги;

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

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: России и Европы, т.к. разработки именно этих стран в большинстве случаев используются при изготовлении нагревателей.

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 хране-нию,

— требования к конструкторской, эксплуатационной и ремонтной доку-ментации;

— комплектность ЗИП, специнструмент и приспособления;

— экономические показатели и др. (в соответствии с нормативно-техническими документами и в рамках данного курсового праекта не рас-сматриваются ).

Технические требования к параметрам и характеристикам системы управления:

— параметры питающей сети – 12 В;

— диапазон температур от 20 до 50 0С;

— мощность не более 300 Вт;

— в случае выхода системы из строя питающая сеть не должна закорачивать-ся;

— габаритно-массовые характеристики должны быть минимальными.

Требования к видам обеспечения. В пояснительной записке к кур-совому 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 технического обеспечения система должна строиться на

отечетственной элементной базе и только в технически обосновонном случае

допускается применение зарубежной элементной базы;

1.5 Состав и содержание работ по созданию системы

В процессе выполнения курсовой работы (в течение 8-го семестра) должны быть разработаны: структурная, функциональная и электрическая схема системы;

1.6 Порядок контроля и приёмки системы

Защита курсовой работы проводится в конце 8-го семестра.

Требования к документации. Материалы курсовой работы должны быть оформлены в соответствие с требованиями к курсовой работе по курсу «Проектирование аппаратуры СУ»

1.7 Источники разработки

Конспекты лекций по ТАУ и ЦСУ, метрологии, схемотехнике, микропроцессоры и программирование, надежности, передача данных, автоматизированное проектирование систем и средств управления, фонд библиотеки МФ ЮурГУ и информационных сайтов системы Internet.

Студент Руководитель проекта

______________Г.Г.Храновский _________________Ю.В.Ерилов

2. Обоснование и выбор структурной схемы

Структурная схема системы управления служит для отображения основ-ных функциональных частей устройства и их взаимосвязей. Таких, как блок управления(БУ), корректирующий контур(КК), усилитель мощно-сти(УМ),

Исполнительный орган(ИО), объект управления(ОУ), а так же датчики преобразователи и т. д.. Общая структурная схема представлена на рис 1.

Разрабатываемая система относится к разряду систем замкнутого цикла с программным управлением. Общая структурная схема системы выглядит следующим образом:

g(x)

рис.2. Общая схема системы замкнутого цикла.

Здесь g(t) входное воздействие, g(x) сигнал обратной связи,

Δ=g(t)-g(x) – сигнал рассогласования.

Структурная схема автоматизированной системы выглядит следующим

образом:

Рис.2. Структурная схема управления разрабатываемой системы.

3 Обоснование и выбор функциональной схемы

Функциональная схема предназначена для объяснения принципа действия структуры управления; формируется на основе стандартных УГО и уст-ройств, используемых в технической литературе.

3.1 Выбор нагревателя

Нагреватель – это преобразователь электрической энергии в тепловую.

Рассмотрим некоторые из них:

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.

ПЛОСКИЕ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛИ (СКП)

СКП применяются для нагрева различных по-верхностей и могут быть изготовлены любого размера и различной конфигурации.

По желанию заказчика СКП можно изготовить со встроенной термопарой. Максимальная удельная мощность 3,5 Вт/см.кв., при обеспече-нии хорошего теплосъема до 5 Вт/см. кв.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ЛЕНТЫ (ЭНГЛ)

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

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

ЭНГЛ-2 — плетеная лента из стенклонити, в основе которой восемь нагрева-тельных жил из нихрома. С наружи 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 С; 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 ка-бель применяется для технологического подог-рева или поддержания заданной температуры трубопроводов и резервуаров, в том числе в опасных зонах. Технические характеристики ЭНГКЕх-1: максимальная температура 180 С; одобрен для применения во взрывоопасных

зонах; напряжение 220-380В; тепловыделение до 50 Вт/м; водонепроницаемая конструкция.

Для данного курсового проекта подходит пленочный нагреватель, который относится к электрическим нагревательным лентам.

Пленочный нагреватель – это рулонная система электрообогрева, представляющая собой защищенную лавсановую пленку с токопроводящим слоем из графитовых элементов. Используемая термопленка обладает высокой прочностью и выдерживает значительные механические нагрузки на поверхность. Пленочный нагреватель отличается высокой надежностью и долговечностью, компактностью, простотой и удобством в монтаже и эксплуатации, экономичностью и пожаробезопасностью.

3.2 Обоснование способа управления исполнительным устройством.

В данном курсовом проекте исполнительным устройством является нагреватель .Тепло, вырабатываемое нагревателем, прямо пропорционально по

закону Ома I2 · R или U2 / R. Для данного курсового проекта выбираем зависимость тепла (мощности) от напряжения.

3.3 Выбор датчика и преобразователя сигналов

Датчик – это устройство для работы в системах автоматического

регулирования и управления технологическими процессами, реаги-рующее на изменение измеряемого параметра и преобразующее его в промежуточное значение сигнала.

Существуют различные датчики, основанные на разных эффектах

(резистивные, ёмкостные, индуктивные, индукционные, оптические, и т.д.). Всё зависит от вида измеряемого сигнала, условий применения и желания разработчика.

Для данного курсового проекта необходимо выбрать датчик температуры.

Для измерения температуры контактным методом применяют термометры:

• расширения, измеряющие температуру по тепловому расширению жидкостей (жидкостные) или твердых тел (дилатометрические, биме-таллические);

• манометрические, использующие зависимость между температурой и давлением газа (газовые) иди насыщенных паров жидкости (конденсационные), а также между температурой и объемом жидкости (жидкостные) в замкнутом пространстве термосистемы;

• термоэлектрические, действие которых основано на измерении термоэлектродвижущей силы (термо-э. д. с.), развиваемой термопарой (спаем) из двух разнородных проводников;

• сопротивления, использующие зависимость электрического сопротивления вещества от его температуры.

Для измерения температуры бесконтактным методом используют пирометры:

• яркостные, измеряющие температуру по яркости накаленного тела в заданном узком диапазоне длин волн;

• радиационные, измеряющие температуру по тепловому действию суммарного излучения нагретого тела (во всем диапазоне длин волн);

• цветовые, принцип действия которых основан на измерении отношения энергий, излучаемых телом в разных спектральных диапазонах.

По характеру получения информации различают пирометры для

локального измерения температуры в данной точке объекта и для анализа

температурных полей.

По способу получения информации об изменении температуры термометры подразделяются на контрольные (предназначены для визуального отсчета показаний) и контактные (предназначены для замыкания или размыкания цепей электрического тока с целью поддержания постоянной температуры или сигнализации о достижении температурой заданного значения).

Рассмотрим термоэлектрические преобразователи и термопреобразователи сопротивления.

Термопреобразователи сопротивления

Терморезистором называется измерительный преобразователь, активное сопротивление которого изменяется при изменении температуры. В качестве терморезистора может использоваться металлический или полупроводниковый резистор. Датчики температуры с терморезисторами называются термометрами сопротивления.

Имеются два вида терморезисторов: металлические и полупроводниковые.

Действие ТС (термопреобразователь сопротивления) основано на температурной зависимости сопротивлений. Указанным свойством обладает множество материалов, но лишь немногие из них удовлетворяют вторичным эксплуатационным требованиям, связанным со стабильностью свойств и нечувствительностью к внешним воздействиям по другим физическим параметрам (давление, плотность магнитного потока, потока нейтронов и т.п.). Всему комплексу метрологических и эксплуатационных требований удовлетворяет относительно узкая номенклатура материалов, предоставленных разными видами веществ, заметно способных проводить электрический ток: металлами, полупроводниками, электролитами. ТС обладают хорошими термометрическими свойствами. Типичные виды зависимости сопротивления от температуры представлены на рисунке. Как видно, ТКС (температурный коэффициент сопротивления) сравнительно невелик (0,3…0,6 %•К-1) и, как правило, положителен для металлов (кривая 2). Для полупроводников в среднем на порядок больше, чем для металлов, отрицателен для термисторов (кривая 4) и положителен для позисторов (кривая 1). Электролиты (кривая 3) характеризуются ступенчатым переходом сопротивления при температуре начала ионной проводимости.

Зависимость сопротивления различных ТС от температуры:

1 — позисторы;

2 — металлы;

3 — электролиты;

4 — термисторы.

Как известно, сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры. Для изготовления металлических терморезисторов обычно применяются медь или платина. ТС состоит из чувствительного элемента соответствующей конструкции, защитной арматуры и соединительных проводов. Изменение сопротивления чувствительного элемента в виде падения напряжения или тока, передаваемых электрической линией связи непосредственно или при помощи ИПТ, фиксируется показывающим прибором или регулятором. Способ включения ТС определяется схемой вторичного прибора и диапазоном измеряемой температуры.

Номинальные функции преобразования (статические характеристики) мед-ных и платиновых терморезисторов и их погрешность определяются ГОСТ 6651 -84. В зависимости от условий применения, требований, предъявляемых к точности измерения, промышленностью выпускаются платиновые ТС различных конструкций. Такое разнообразие конструкций объясняется тем, что все требования, предъявляемые различными объектами измерения, не могут быть обеспечены одной и той же конструкцией. Основные параметры технических платиновых ТС по ГОСТ 6651—78 приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1.

Основные параметры платиновых и медных ТС.

Тип Номинальное сопротивление при 0°C,

Ом Условное обозначение но-минальной статической характеристики

преобразования Диапазон измеряемой температуры, °С

от до

ТСП 1

5

10

46

50

100

500 1П

5П

10П

гр.21

50П

100П

500П —50

—100

—200

—260

—260

—260

—260 1100

1100

1000

1000

1000

1000

300

ТСМ 10

50

53

100 10М

50М

гр.23

100М —50

—50

—50

—200 —200

—200

180

200

ТС с чувствительными элементами из других материалов

В случаях, когда не требуется высокая точность измерения, например для технических целей, чувствительные элементы ТС изготовляются не из дорогой платины, а из других чистых металлов. Для измерения сверхнизких температур чувствительные элементы изготовляются главным образом из сплавов и полупроводников. Для измерения средних температур в качестве материала чувствительного элемента ТС применяются, наряду с платиной, медь, никель, вольфрам, железо.

Требования к конструкциям ТС с чувствительными элементами из других материалов аналогичны требованиям, предъявляемым к платиновым чувствительным элементам. При этом необходимо учитывать конкретные физические и химические свойства этих материалов.

Учитывая опыт эксплуатации выпускаемых ТС представляется возмож-ным разделить технические ТС на следующие укрупненные группы:

• общепромышленные ТС для измерения температуры в различных отраслях народного хозяйства;

• ТС для измерения температуры в условиях с повышенными механическими нагрузками;

• ТС во взрывобезопасном исполнении для измерения температуры в средах различных категорий взрывоопасности;

• ТС для измерения температуры в атомных и энергетических установ-ках;

• ТС для измерения температуры поверхностей вращающихся объектов;

• ТС для измерения температуры поверхностей неподвижных твердых тел;

• ТС для измерения температуры в помещениях;

• ТС для измерения температуры в криогенной технике;

• ТС для измерения температуры зерна;

• ТС с унифицированным выходным сигналом 0—5 мА для измерения температуры в различных отраслях промышленности.

Основные требования, предъявляемые к техническим ТС: взаимозаменяе-мость, простота и надежность в работе.

Полупроводниковые ТС

Целесообразно разделить полупроводники, используемые при измерении низких температур, на материалы, обладающие отрицательным ТКС — термисторы; материалы, обладающие положительным ТКС — позисторы. Все полупроводниковые ТС имеют сравнительно небольшой срок применения, поэтому они не вошли в номенклатуру приборов, используемых в метрологии.

Чувствительный элемент полупроводникового терморезистора — термистора — изготавливается из окислов различных металлов: меди, кобальта, магния, марганца и др. Размолотое в мелкий порошок компоненты прессуются и спекаются в виде столбика, шарика или шайбы. В надлежащих местах напыляются электроды и подпаиваются выводы из медной проволоки. Для предохранения от атмосферных воздействий чувствительный элемент термистора покрывают защитной краской, помещают в герметизирующий металлический корпус или запаивают в стекло.

С увеличением температуры сопротивление термисторов уменьшается.

Термисторы изготавливаются с номинальным сопротивлением (при 20°С) от 1 до 200 кОм. В зависимости от типа они могут применяться для измерения температур от -100 до 120-600°С. Их чувствительность в 6—10 раз больше, чем чувствительность металлического терморезистора. Кроме того, термисторы имеют значительно меньшие массы и размеры. Недостатком термисторов является нелинейность функции преобразования, большой разброс их параметров, а также старение и некоторая нестабильность характеристик. Термисторы обычно включаются в схему неравновесного или автоматического моста. Приборы имеют индивидуальную градуировку, что обусловлено большим разбросом параметров и характеристик преобразователей. Термисторы применяются для измерения температуры в тех случаях, когда не тре-буется высокая точность, но нужно измерить температуру малых объектов, обладающих малой теплоемкостью.

Терморезисторные характеристики полупроводников значительно различаются между собой. Поэтому обобщение их в одном структурном подразделении носит условный характер. Для всех полупроводников характерна высокая чувствительность. ТКС большинства терморезисторных полупроводников на порядок, а для некоторых материалов в экстремальных условиях — на два порядка больше соответствующего среднего значения для металлов.

Термисторные промышленные ТС. Благодаря высокой чувствительности термисторные ТС эффективно применяются для измерения температур в диапазоне от 170 до 570 К.

Позисторные промышленные ТС. Позисторы также относятся к по-лупроводниковым ТС, но в отличие от термисторов имеют положительный термический ТКС. Чувствительные элементы позисторных ТС изготовляются из сегнетоэлектрических керамик на основе титанатов, цирконатов, глицинатов и т. п., свинца, бария, мышьяка и др. Их ТКС может превышать 10 %/К. Они применяются в сравнительно узком диапазоне температур (от 20 до 100°С), причем для каждого типа позистора диапазон измерения еще уже и составляет несколько К. Пока позисторные ТС находят ограниченное применение в системах автоматики и защиты. Превосходные характеристики по мере развития технологии производства должны открыть им широкое применение.

Конструктивное оформление позисторных ТС аналогично таковому в термисторах. В диапазоне измеряемой температуры температурная зависимость сопротивления позисторов носит экспоненциальный характер: R=Аеm.

Термоэлектрические преобразователи

Действие термоэлектрических преобразователей (ТП) основано на эффекте Зеебека — одном из 12 термоэлектрических явлений, известных в современной физике твердого тела. Термоэлектрический преобразователь представляет собой термопару, состоящую из двух разнородных проводников Р и Q, соединенных между собой в двух точках. На границе раздела двух различных металлов имеется контактная разность потенциалов ЕPQ(t), зависящая от рода металлов и от температуры контакта. Если t1 = t2, то они равны между собой и, будучи противоположно направленными, взаимно уравновешиваются. Если же t1 не равно t2, то в цепи развивается результирующая ЭДС:

Е= EPQ(t1) — EPQ(t2) (1)

называемая термоэлектродвижущей силой (термоЭДС). Места контактов называются спаями термопары. Из (1) следуют следующие свойства

термопары:

1. Если в цепи термопары включен третий проводник и его концы находятся при одинаковых температурах (t’2=t»2), то включение этого третьего проводника не изменяет ЭДС цепи. Третьим проводником могут быть провода прибора, измеряющего ЭДС термопары, и провода, соединяющие его с термопарой. Если концы термопары, подключенные к соединительным проводам, находятся при одинаковых температурах, то подключение измерительного прибора не изменяет термоЭДС.

2. ЭДС термопары является функцией двух независимых температур — температур ее спаев Е = E(t1, t2) — и не зависит от температур других точек термопары. ЭДС термопары есть сумма функций одной переменной.

3. Если термопара имеет температуры спаев t и to, то термоЭДС равна алгебраической сумме двух ЭДС, одна из которых генерируется при температуре спаев t и t’o, другая — при температурах t’o и to:

E(t, to) = E(t, t’o) + E(t’o; to). (2)

Это свойство используется при измерении температуры спая t, если температура второго спая t’o отличается от температуры t0, при которой была произведена градуировка термопары. При t0 = 0 функция E(t, 0) представляет собой градуировочную функцию преобразования данной термопары. Значение E(t, t’o) определяется экспериментально, а значение E(t’o, 0) — по значению температуры t’o и градуировочной функции преобразования. По значениям E(t, t’0) и E(t’0, 0) вычисляется E(t0, 0), по которой определяется измеряемая температура.

Термоэлектрические преобразователи используются для измерительного преобразования температуры в ЭДС. Термоэлектрический датчик обычно называется термопарой.

Таким образом, в результате исследования различных датчиков температур, выбираем медный термометр сопротивления номинальным сопротивлением 100 Ом, который имеет 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 выбора схемы преобразования термосопротивления в напряжение посмотрим несколько возможных вариантов.

Самый простой из них представлен на рисунке 3.3.1. Главным недос-татком схемы является то, что напряжение в бортовой сети автомобиля мо-жет колебаться в зависимости от включенных приборов и оборудования, вследствие чего нагрев будет нестабильным.

Рис. 3.3.1

На рисунке 3.3.2 представлена схема, которая является наиболее рас-пространенной в настоящее время. В схеме есть недостаток: узкий диапазон изменения Uпит, низкое выходное сопротивление.

Rt°C=R0(1+α∆t)

Рис. 3.3.2

На рисунке 3.3.3 представлена схема, на основе операционного усилителя. Данная схема считается стабильной, а значит, наиболее подходящей для данного курсового проекта, так как согласно техническому заданию необходимо обеспечить высокую точность нагрева до определенной температуры.

Рис. 3.3.3

3.4 Обоснование и выбор схемы усилителя мощности

Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала.

Усилители классифицируются по различным признакам: по виду усиливае-мого сигнала (усилители гармонических и импульсных сигналов); по типу усиливаемой величины (усилители напряжения, тока и мощности); по диапазону усиливаемых частот (усилители постоянного и переменного тока). Для управления исполнительными устройствами используются как линейные, так и импульсные усилители.

Достоинствами линейного усилителя являются быстродействие, линейность, простота реализации, высокая надежность. Однако есть и серьезный недостаток: низкий КПД.

Импульсный усилитель, имея множество недостатков, обладает высо-ким КПД.

Для того, чтобы правильно выбрать усилитель, произведем примерный расчет и линейного, и импульсного усилителя.

Линейный усилитель.

Рис. 3.4.1

k = 12 В / 5 В = 2,4;

при P = 300 Вт, iнагр = 300 Вт / 12 В = 25 А;

β3 = 20, тогда iб3 = 25 А / 20 = 1,25 А;

β2 = 60, тогда iб2 = 1,25 А / 60 = 0,0208 А = 20,8 мА;

β1 = 240, тогда iб1 = 20,8 мА / 240 = 0,086 мА.

Условие, что ток на выходе усилителя должен быть не больше 3 мА, выполняется благодаря схеме Шиклаи, которая используется в качестве драйвера.

Рассчитаем мощность, рассеиваемую на транзисторе при изменении напря-жения питания: URн = 0,1; 0,3; 0,5; 0,7; 1; 2; 4; 6; 8; 10; 12 В.

Rн = 12 В / 25 А = 0,48 Ом;

Pтр = (Епит – URн) · URн /Rн;

Pтр1 = (12 – 0,1) · 0,1 / 0,48 = 2,48 Вт;

Pтр2 = (12 – 0,3) · 0,3 / 0,48 = 7,3 Вт;

Pтр3 = (12 – 0,5) · 0,5 / 0,48 = 11,97 Вт;

Pтр4 = (12 – 0,7) · 0,7 / 0,48 = 16,48 Вт;

Pтр5 = (12 – 1) · 1 / 0,48 = 22,913 Вт;

Pтр6 = (12 – 2) · 2 / 0,48 = 41,66 Вт;

Pтр7 = (12 – 4) · 4 / 0,48 = 66,67 Вт;

Pтр8 = (12 – 6) · 6 / 0,48 = 75 Вт;

Pтр9 = (12 – 8) · 8 / 0,48 = 66,68 Вт;

Pтр10 = (12 – 10) · 10 / 0,48 = 41,66 Вт;

Представим зависимость на графике:

По графику видно, что мощность, рассеиваемая на транзисторе, меняется от напряжения нагрузки, а значит и от тока нагрузки: от 4,9 Вт (при iн = 0,416 А) до 75 Вт (при iн = 12,5 А), что приводит к снижению КПД и необходимости принятия мер с отводом тепла от выходного транзистора.

Импульсный усилитель.

В зависимости от предъявляемых требований импульсные усилители могут строиться по различным структурным схемам. Сигналы управления могут быть сформированы ЧИМ (частотно-импульсная модуляция), ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или ЧШИМ (частотно-широтно-импульсная модуляция). В настоящее время большое распространение получили ШИМ. Они просты в применении, обладают высоким быстродействием, высокой надежностью. Благодаря использованию полевых транзисторов, которые имеют важное качество: мощность рассеивания гораздо меньше, чем при использовании биполярных транзисторов, схема на основе широтно-импульсной модуляции подходит для данного курсового проекта. На первый вход компаратора подается пилообразный сигнал генератора, а на второй вход – постоянное медленно меняющееся напряжение. На выходе формируется ШИМ-модулированный сигнал.

Рис. 3.4.2

Рис. 3.4.3

При токе 25 А мощность рассеивания на транзисторе будет равна

50 мВ · 25 А = 1250 мВт = 1,25 Вт.

По данному графику можно сделать вывод, что при увеличении тока нагрузки мощность рассеивания увеличивается.

Из примерного расчета линейного и импульсного усилителя видно, что потребляемая мощность усилителя с импульсной модуляцией значительно меньше, чем мощность усилителя с линейной модуляцией.

3.5 Выбор корректирующего устройства

Под улучшением качества процесса управления, помимо повышения точности в типовых режимах, понимается изменение или получение нужных динамических свойств системы.

При решении задачи повышения запаса устойчивости проектируемой системы прежде всего необходимо попытаться рациональным образом изменить ее параметры так, чтобы удовлетворить требованиям качества управления, которые определяются критериями качества. При невозможности решить эту задачу в рамках имеющейся системы приходится идти на изменение ее структуры. Для этой цели обычно используется введение в систему так называемых корректирующих средств, которые должны изменить динамику всей системы в нужном направлении. К корректирующим средствам относятся, в частности, корректирующие звенья, представляющие собой динамические звенья с определенными передаточными функциями.

Эти звенья могут включаться в автоматическую систему следующими способами: последовательно, параллельно, в виде обратной связи.

Проблема обеспечения требуемых свойств автоматических систем слож-ная. В ней могут быть выделены следующие задачи: обеспечение устойчиво-сти, повышение запаса устойчивости, повышение точности регулирования в установившихся режимах, уменьшение времени переходных процессов, уменьшение ошибок от внешних возмущений. Когда устойчивость и качество не могут быть достигнуты простым изменением параметров системы (коэффициентом передачи, постоянных времени отдельных звеньев), тогда эта задача решается введением в систему дополнительных устройств, называемых корректирующими. Корректирующие устройства основаны на трёх базовых звеньях: пропорциональное звено (П), интегрирующее звено (И) и дифференциальное звено (Д). По отдельности они практически не используются (на практике применяют ПИД регулирование).

П – регулятор

– это линейный усилитель, фазовый сдвиг которого в частотном диапазоне входных воздействий пренебрежимо мал, а коэффициент усиления в цепи ОС контура регулирования больше 1. П – регулятор позволяет добиться затухания колебаний при расходящемся переходном процессе (рисунок 3.5.1). В то же время нельзя добиться отсутствия статической ошибки и уменьшения времени переходного процесса.

Рис. 3.5.1

ПИ – регулятор

Этот регулятор убирает ошибку по положению, но возникает ошибка по ускорению, т.е. уменьшается быстродействие системы (рисунок 3.5.2):

Рис. 3.5.2

Эти проблемы может устранить ПИД – регулятор (рисунок 3.5.3):

Рис. 3.5.3

3.6 Выбор схемы вычитания

Основное требование к вычитающему устройству это точность, так как он должен точно выявить ошибку в управлении и подать сигнал в корректирующее устройство.

На рисунке 3.6.1 представлена аналоговая схема вычитания. R1 обычно равен R2, R3 = R4. K = R4 / R1.

Рис. 3.6.1

На рисунке 3.6.2 представлена цифровая схема вычитания,

где Х1 (уменьшаемое), Х2 (вычитаемое)

Рис. 3.6.2

Операция вычитания выполняется через дополнительный код – берется прямой код (вычитаемое), инвертируется и к нему добавляется единица.

3.7 Обоснование выбора задатчика

Задатчик предназначен для формирования и выдачи в СУ управляющего сигнала, пропорционального требуемому выходному сигналу. В качестве задатчика могут быть использованы как аналоговые, так и цифровые устройства: потенциометр, изображенный на рисунке 3.7.1.), конденсатор переменной емкости, индукционные устройства, клавиатура и т.д. Задатчики на основе аналоговых устройств обладают большой погрешностью.

Потенциометр — Прибор для определения ЭДС напряжений компен-сационным методом. Простое электромеханическое устройство с регулируемым сопротивлением. Состоит из корпуса (хотя иногда используются и бескорпусные потенциометры), длинного проводника с сопротивлением, равным максимально допустимому сопротивлению потенциометра и без изоляции, щетки, контактирующей с этим проводником и рукоятки, изолированной от щетки. Используя его в совокупности с мерами сопротивления или измерительными преобразователями, можно измерять электрический ток и мощность, температуру, давление и др. Различают потенциометры переменного и постоянного тока.

Применяется в качестве переменного сопротивления в аудиотехнике, радиотехнике, измерительной технике. В частности, используется для уравновешивания измерительного моста, для регулирования громкости в аудиотехнике, и т. д.

Является разновидностью реостата, характеризуется высокой точностью и малым рабочим напряжением.

Рис. 3.7.1

4. Принцип работы функциональной схемы

С задатчика (потенциометра) поступает сигнал на первый вход схемы вычитания. На второй вход схемы вычитания поступает остаточный (нуле-вой) сигнал с преобразователя температуры в напряжение. На выходе схемы вычитания образуется сигнал, равный разности двух входных сигналов. Этот сигнал поступает на вход корректирующего контура (ПИД – регулятора). Затем через сумматор сигнал поступает на вход компаратора. А на второй вход компаратора приходит пилообразный сигнал с генератора. В результате на выходе компаратора образуется ШИМ-модулированный сигнал. После чего открывается полевой транзистор и Rн нагревается. Датчик температуры фиксирует температуру нагрева, и через преобразователь температуры в напряжение сигнал снова поступает на второй вход схемы вычитания. Так схема продолжает работать до тех пор, пока сигнал, поступающий с преобразователя температуры в напряжение не будет равен входному сигналу.

Заключение

В процессе курсового проектирования разработана система управления подогревом детского питания. Для этого сначала были рассмотрены существующие на сегодняшний день аналоги, выбрана наиболее оптимальная структурная схема, путем расчета и анализа выбраны электронные устройства, входящие в состав СУ.

На основании этого выбора получена схема электрическая принципи-альная.

В процессе проектирования были закреплены и применены на практике знания, полученные по ранее изученным дисциплинам: ТАУ,

Аппаратно-программные средства СУ и автоматики, цифровая схемо-техника, технология проектирования и производства АС.

Литература

1. Руководство по проектированию САУ. Учебное пособие для студ. спец. “Автоматика и телемеханика”/ Бесекерский В.А. – М.:Высш. школа, 1983г.