Лабораторный практикум по курсу ''Основы научных исследований''. Методическое пособие

Министерство образования Российской Федерации Введение Восточно-Сибирский государственный технологический университет Кафедра «Машины и аппараты легкой промышленности»

Лабораторный практикум по курсу «Основы научных исследований» Методическое пособие

Составитель: Буянтуев А.Б.

Улан-Удэ 2001

Курс «Основы научных исследований» утвержден в учебном плане специальности 1707 «Машины и аппараты текстильной и легкой промышленности» для изучения основных средств и методов исследований оборудования и процессов. В данном пособии изложена методика изучения и пользования светолучевым осциллографом – 4 часа, применение тензометрии в экспериментальных исследованиях машин и механизмов отрасли – 6-8 часов, расшифровка осциллограмм – 4 часа, способы подбора датчиков для измерения основных параметров в экспериментальных исследованиях – 10-12 часов. В процессе изучения данного курса студенты должны знать и уметь проводить несложные (до 6-7 параметров) экспериментальные исследования, уметь обработать данные эксперимента и предложить способы модернизации механизмов, машин и аппаратов с целью их усовершенствования и автоматизации операций в отрасли.

Лабораторная работа № 1. Устройство светолучевого осциллографа. [1] Осциллографом называется прибор, предназначенный для наблюдения, регистрации и измерения исследуемого сигнала, как правило напряжения, зависящего от времени. Осциллографы широко используются для измерения неэлектрических процессов и величин в механике, в том числе, механизмов в текстильной и легкой промышленности, при условии, что это величины преобразуются в электрические сигналы. [2,3] Имеется два основных класса осциллографов: светолучевые (шлейфовые) и электронно-лучевые. Светолучевые осциллографы используют электромеханическое отклонение светового луча под действием исследуемого напряжения и запись на фотобумагу (пленку). Электронно-лучевые осциллографы строятся на основе электронно-лучевых трубок. Отклонение электрического луча осуществляется непосредственно электрическим сигналом и является практически безинерционным. Исследуемый процесс отображается на люминисцентном экране и может быть зарегистрирован фотографическими средствами. Светолучевые осциллографы используются для исследования электрических сигналов с верхней частотой, не превышающей 30 кГц. Достоинством этих приборов является простота устройства, возможность одновременной регистрации большого числа процессов, от 12 до 36 и свыше, современные исследовательские комплексы через преобразователи (интерфейсы) могут подключаться к мощным компьютерам, которые могут регистрировать и рассчитывать по специальным программам многие сотни процессов.

Светолучевой осциллограф состоит из магнитного блока с осциллографическими гальванометрами (ОГ), оптической системы, развертывающей системы, отметчика времени и блока питания. Осциллографический гальванометр представляет собой укрепленную на растяжках подвижную рамку магнитоэлектрического измерительного механизма, заключенную в кожух из магнитного материала. На кожухе укреплены магнитно-мягкие полюсные наконечники. ОГ вставляются в специальные гнезда, являющиеся воздушными зазорами магнитопровода единого постоянного магнита. Таким образом, все рамки ОГ находятся в постоянном магнитном поле. При прохождении по рамке исследуемого тока - аналога исследуемого процесса, происходит ее поворот, как и в обычном магнитоэлектрическом механизме. Из-за того, что подвижная часть ОГ имеет малый момент инерции, угол ее отклонения в каждый момент времени пропорционален мгновенному значению тока. На подвижной части ОГ укреплено маленькое зеркальцо, входящее в оптическую систему осциллографа.

Рис. 1.1 Схема общего устройства осциллографа приведена на рис. 1.1. Луч света от источника 1, проходит через узкую щель 2 и призму 3 и отражается от зеркальца 4 ОГ. Затем он попадает на призму 5, где разделяется на 2 части. Часть луча

проходит поверх призмы 5 и концентрируется с помощью цилиндрической линзы 6 в точку на фотобумаге (пленке) 7. Вторая часть луча отклоняется призмой 5 и направляется на зеркальны многогранный барабан 8, отражаясь от которого, падает на экран 9. Если пленка 7 и зеркальный барабан 8 находятся в покое, то при колебаниях зеркалец в ОГ световые пятна описывают на пленке в поперечном направлении и на экране прямую линию. Для наблюдения и фотографирования исследуемого процесса во времени надо развернуть движение луча по оси времени. Для этого пленку протягивают, а зеркальный барабан приводят во вращение. Если скорость вращения барабана такова, что луч перемещения на одной его грани в течение времени, равного целому числу периодов исследуемого тока, то кривая на экране вырождается в прямую, получает продольное графление, что удобно при расшифровке осциллограмм. Продольное графление можно получить установив перед кассетой с фотоносителем металлическую пластину с рядом узких щелей, используя часть светового потока источника 1. Функцию отметчика времени (поперечного графления) могут выполнять или специально выделенный для этой цели ОГ, на вход которого подаются импульсы с известным периодом времени, или специальные механизмы, например, щелевые барабаны имеющие внутри зеркало, которое отражает часть светового потока от источника све-та 1. Меняя частоту вращения щелевого барабана и изменяя интенсивность части светового потока с помощью диафрагмы на собирающих линзах (объективах), можно получить поперечное графление через нужные промежутки времени (от 0,001 до нескольких десятков секунд) и необходимой интенсивности (толщиной и яркостью) линий. Во многих современных светолучевых осциллографах отсутствует устройство визуального наблюдения – матовый экран 9 и зеркальный барабан 8. Лентопротяжный механизм фотоносителя и барабан имеют свой привод, причем

скорость фотоносителя может варьироваться специальной коробкой передач от 0,1 мм/с до 10000 мм/с и более. С помощью специальных реле времени и прерывателей можно устанавливать длину кадра от 0,1 до 5 м. Кроме указанных устройств осциллографы имеют системы стабилизации температуры для получения стабильного магнитного поля в блоке ОГ, регулировку отдельных ОГ для выведения того или иного светового пучка в нужную часть экрана и фотоносителя, дистанционное управление, например, для измерения параметров в опасных, вредных, экстремальных условиях – исследованиях сейсмическими методами колебаний земной коры, исследованиях в зонах радиоактивного заражения и т.п. Область применения светолучевых осциллографов ограничивается инерционностью подвижной части ОГ и самого осциллографа. Как уже отмечалось, без существенных искажений этими приборами можно регистрировать синусоидальные токи и напряжения с частотами не свыше 30 кГц. Методика проведения работы 1. После ознакомления с устройством светолучевого осциллографа (см. выше), под руководством преподавателя снять боковые и верхние ограждения осциллографов Н117 и Н145 (полевой). 2. Осмотреть магнитные блоки с ОГ и узнать регулировку светового пятна. Ознакомиться с различными типами ОГ, их маркировкой и областями применения [2]. Ознакомиться с устройствами лентопротяжных механизмов, устройствами продольного и поперечного графления Н117 и Н145. Посмотреть и попробовать установку длины кадра, скорость протяжки, отметчика времени. 3. Под руководством преподавателя произвести установку 2-3 каналов на действующем осциллографе

(прогретом) и сделать съемку 2-3 кадров задействованных каналов. Отснятые кадры подклеить в тетрадь для лабораторных работ для проведения следующей работы.

Лабораторная работа № 2 Тензометрия [1,2,3] Большое распространение для исследования самых различных процессов в машинах легкой промышленности получила тензометрия, основанная на применении тензорезисторных преобразователей (тензорезистор, тензодатчик) Используя их в различных измерительных схемах можно измерять усилия, напряжения, деформации, параметры колебательных процессов и другие исследуемые величины. Тензорезистор представляет собой проводник, измеряющий свое электрическое сопротивление при деформации сжатие-растяжение. При деформации проводника изменяется его длина l и площадь поперечного сечения Q. Деформация кристаллической решетки приводит к изменению удельного сопротивления ρ. Эти изменения приводят к изменению сопротивления проводника R. ρl R= Q Этим свойством обладают в той или иной степени все проводники. В настоящее время находят применение проволочные, пленочные и фольговые проводники и полупроводниковые тензорезисторы. Наилучшим отечественным материалом для изготовления проводниковых тензорезисторов, в том числе используемых при низких температурах, является константан. Зависимость сопротивления R от относительной деформации ε с достаточной точностью описывается линейным двучленом.

R = Rо (1 + ST⋅ε), где Rо – сопротивление тензорезистора без деформации; ST - тензочувствительность материала. Тензочувствительность константана лежит в пределах 2,0÷2,1. Нелинейность функции преобразования не превышает 1 %. Фольговые тензорезисторы представляют собой тонкую лаковую пленку, на которую нанесена фольговая тензочувствительная решетка из константана толщиной 4-12 мкм (рис. 2.1). Решетка сверху покрыта лаком. Фольговые тензорезисторы нечувствительны к поперечной деформации вследствие малого сопротивления перемычек (т.е. их сравнительно большого сечения), соединяющих тензочувствительные элементы.

Рис. 2.1. Проволочный тензорезистор имеет аналогичное устройство (может выполняться на специальной бумажной основе), но его решетка выполняется из константановой

проволоки толщиной 20÷50 мкм. По своим характеристикам проволочные преобразователи уступают фольговым. Фольговые и проволочные тензорезисторы обычно имеют длину 5-20 мм, ширину 3-10 мм. Их номинальное сопротивление согласно ГОСТ 21616-76 равно 50, 100, 200, 400 и 800 Ом. Точность и надежность работы тензодатчиков зависят от качества закрепления датчика и его выводов на измеряемом объекте или промежуточном преобразовательном элементе. Так как база чувствительного элемента мала, требуется осторожность при работе с тензорезисторами. Основными операциями технологии подготовки и наклеивания тензодатчиков на объект или промежуточный преобразовательный элемент (см. дальше тарировка датчиков) являются: механическая тщательная подготовка и очистка рабочей поверхности для тензодатчика причем подготавливаемая площадь в 1,5-2 раза превышает площадь занимаемую датчиком; разметка рабочей поверхности для правильной ориентации тензодатчика; обезжирование и нагрев рабочей поверхности до температуры указанной в инструкции для каждой марки клея (например, для клея БФ-4 – 50-70оС с помощью электроламп или ламп инфракрасного излучения); далее соблюдаются инструкции по применению того или иного клея.

Тарировка тензодатчиков Прежде чем приступить к измерениям тех или иных параметров непосредственно в деталях, необходимо произвести тарировку датчиков с целью определения

надежности показаний, а также для определения текущего масштаба, зависящего от настройки усилительной аппаратуры. Тарировка датчиков в большинстве случаев производится на балочке равного сопротивлению изгибу. Балочка равного сопротивления изгибу – это балочка, у которой в любом сечении возникают одинаковые напряжения при подвешивании груза на ее конец (см. рис. 2.2).

датчика напряжение σ при данном грузе и отклонение S – световой точки шлейфа осциллографа. График линейной зависимости S от σ (см. рис. 2.3) при нагружении и разгружении покажет, что петли гистерезиса, т.е. остаточσ σ4 σ3 σ2 σ1 S1

S2

S3

S4

S

Рис. 2.3 Рис. 2.2 Тарировка датчиков производится следующим образом. Из партии датчиков с одинаковым номинальным сопротивлением отбирают 5-10 % и каждый из них наклеивают на балочку. Методика тарировки заключается в определении ожидаемого среднего разброса показаний датчиков, измеряемого в %. Если эта величина в пределах 1 % (для обычных экспериментальных исследований), то вся партия датчиков считается годной для измерений. После наклейки датчика и настройки усилительной и измерительной аппаратуры (осциллографа) балочку нагружают не менее трех раз определенными грузами, например, 1, 2 и 3 кг (10, 20 и 30 Н), записывая для каждого

ных напряжений нет и сечение балочки и эталонные грузы подобраны правильно, в пределах закона Гука. Напряжение σ подсчитывают по формуле

σ=

b⋅l bo ⋅ n 2

(см. рис. 2.3)

при Q = 1 кг (10 Н); В тех случаях, когда деталь, подвергающаяся исследованиям, легко снимается и ставится в машину или к ней есть свободный доступ для наклейки датчиков и подвода проводов, то тарировку датчика лучше проводить

непосредственно на самой детали. Нагрузку имитируют прикреплением эталонных грузов и приложением крутящих моментов известной величины. Например, для круглой детали, подвергающейся растяжению (см. рис. 2.4).

Рис. 2.5 σтар = Рис. 2.4

4Р , (кг/см2) σтар = 2 πd Для детали подвергающейся изгибу (рис. 2.5).

6QL , (кг/см2) 2 bh

После тарировки такие детали устанавливаются в машину и производится запись измерений без изменения настройки усилительной аппаратуры. Для того, чтобы измерить изменение сопротивления тензорезистора с помощью электронных приборов, необходимо преобразовать его изменение напряжения или тока, в зависимости от того, какой прибор предполагается использовать для записи процесса. Светолучевой осциллограф измеряет и регистрирует ток, электронный осциллограф показывает на экране отклонение, пропорциональное напряжению. Существует два способа, с помощью которых можно осуществить требуемые преобразования: 1 – делитель напряжения (полумост); 2 – измерительный мост.

Измерительный мост Важным классом устройств, предназначенных для измерения параметров электрических цепей: сопротивления, силы тока, напряжения и др., а в тензометрии за этими величинами в результате тарировок тензодатчиков подразумеваются неэлектрические величины – напряжения, деформации, усилия и др., являются мосты. В простейшем случае мостовая схема содержит 4 резистора, соединенных в кольцевой замкнутый контур (рис. 2.6).

Мост называется уравновешенным, если разность потенциалов между точками 1 и 2 равна нулю, т.е. напряжение на диагонали, содержащей индикатор нуля, отсутствует и ток через индикатор равен нулю. Соотношение между сопротивлениями плеч, при котором мост уравновешен, называется условием равновесия моста. Это условие можно получить, используя законы Кирхгофа для расчета мостовой схемы. Например, для одинарного моста постоянного тока зависимость протекающего через индикатор нуля (гальванометр) PG тока IG от сопротивлений плеч, сопротивления гальванометра RG и напряжения питания U имеет вид IG =

Рис. 2.6. Такую схему имеет одинарный мост постоянного тока. Резисторы R1, R2, R3, R4 этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч – вершинами моста. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называют диагоналями. Одна из диагоналей (3-4) содержит источник питания GB и называется питающей, а другая (1-2) – указатель равновесия или отклонения от него PG – измерительной.

U ( R1 R4 − R2 R3 ) RG ( R1 + R2 )( R3 + R4 ) + R1 R2 ( R3 + R4 ) + R3 R4 ( R1 + R2 )

Ток IG = 0 при R1R4 = R2 ⋅ R3 Это и есть условие равновесия одинарного моста постоянного тока, которое можно сформулировать следующим образом: для того, чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч неизвестно (например, R1 = Rх ), то последнее условие будет иметь вид: R2 R3 ; R4 Таким образом, измерение при помощи одинарного моста можно рассматривать как сравнение неизвестного сопротивления Rх с образцовым сопротивлением R2 при сохранении неизменным отношения R3/ R4. По этой причине плечо R2 называют плечом сравнения, плечи R3 и R4 плечами отношений.

Rх =

Делитель напряжения Схема делителя напряжения показала на рис. 2.7.

Схемы наклейки датчиков и соединения их в измерительные схемы. Растяжение, сжатие, изгиб Датчики, реагирующие на деформацию одного знака, могут включаться последовательно в одно плечо.

Рис. 2.7 является активным тензорезистором, Если R2 изменяющим свою величину в результате деформации на ∆ R2, а резистор R1 –пассивным элементом (R1= const), то при условии Rн>> R2 т.е. измерительный прибор (гальванометр и усилитель) имеет почти бесконечно большое сопротивление Rн, напряжение сигнала будет:

∆U = U

Рис. 2.8 Чувствительность мостовой схемы увеличивается вдвое включением этих датчиков в противоположные плечи моста (рис. 2.9).

R1 R2 ⋅ ∆R2 R1 ⋅ ∆R2 ; =U R1 + R2 ( R1 + R2 ) 2 ⋅ R2

Из сравнения формул для моста и полумоста можно сделать вывод, что мостовая схема измерений более чувствительна, а значит и более точна. В зависимости от вида деформации детали и расположения датчиков на ней, могут применяться различные схемы включения датчиков, основанных на свойствах моста.

Рис. 2.9 Возможны варианты наклейки одного активного датчика с включением его в мостовую схему или полумост (рис. 2.10).

При замере напряжений (деформаций) изгиба можно использовать следующие схемы: 1. Полумост, составленный из двух активных тензорезисторов (рис. 2.11).

Рис. 2.11 2. Полный мост, с использованием того, что датчики реагирующие на деформации разного знака, включаются в смежные плечи моста. Как известно, нижние слои балки сжимаются, а верхние – растягиваются при схеме нагружения, указанной на рис. 2.12. Рис. 2.10 В первом случае тензодатчики R2, R3 и R4 наклеены на специальную пластину, не испытывающую деформаций и закрепленную вблизи детали, в которой измеряют напряжение. В этом случае деталь и пластина имеют одинаковую температуру и изменение ее у всех датчиков одинаково и при указанном соединении не влияет на результаты измерения. Во втором случае имеем полумост, составленный из одного активного R1 и одного компенсирующего датчика R2. Другая половина моста дополняется в самом приборе парой стабильных и одинаковых сопротивлений Rи.

Рис. 2.12 3. Полный мост, используя 4 активных тензорезистора (рис. 2.13).

На рис. 2.15 показан способ наклейки тензодатчиков, когда при совместном действии изгиба и растяжения, необходимо измерить лишь напряжения растяжения.

Рис. 2.13 Такая схема обладает максимальной чувствительностью, так все четыре тензорезистора является одновременно активными и кроме того исключается воздействие составляющей растяжения, поскольку оно вызывает у всех тензорезисторов одинаковые по величине и знаку изменения сопротивления. Для замера напряжений от растяжения при совместном действии растягивающей Рр и изгибающей Ри сил применяются следующие схемы: 1. Полный мост, включающий два активных и два компенсирующих датчика (рис. 2.14).

Рис. 2.15 Продольные тензорезисторы R1 и R3 наклеиваются с боков балки так, чтобы их ось совпадала с нейтральной осью балки. В этом сечении изгибающие напряжения равны нулю или очень малы. Кроме того, Ри нивелирует на площадке тензорезисторов R1 и R3 действуют на составляющие силы противоположностью знака, т.е. верхние части этих тензорезисторов растягиваются, а нижние – сжимаются. Измерение крутящих моментов При использовании мостовой схемы тензорезисторы наклеиваются на измеряемый вал следующим образом, см. рис. 2.16.

Рис. 2.14 Составляющие изгиба здесь нивелируются тем, что активные тензорезисторы включены в противоположные плечи моста, и учитывается лишь растяжение или сжатие.

колец, вмонтированных в корпус текстолитового маховика 3, закрепленного на валу 1. К вставкам 2 прижимаются щетки 4 токосъемного устройства, откуда напряжение подается на питающую диагональ измерительного моста, а с измерительной диагонали напряжение подается на усилитель и далее на осциллограф. Задания Рис. 2.16 При использовании полумостовой схемы измерений на вал наклеивается одна пара тензорезисторов. Тензорезисторы в обоих случаях наклеивают строго друг против друга, так как в этом случае исключается составляющая изгиба. Для измерения крутящих моментов на валах используют различные токосъемное устройство щеточного типа, которое применяется при измерении крутящих моментов.

Рис. 2.17 На исследуемую деталь 1 наклеиваются датчики R1, R2, R3, R4 в соответствии с мостовой схемой (рис. 2.17) и соединяются проводами с металлическими вставками 2 в виде

Преподаватель выдает бригаде из 2-3 студентов одно из следующих заданий: определить напряжения сжатия, растяжения, изгиба, кручения в одной из деталей швейной машины: 1.игольная пластина - напряжение изгиба при проколе иглы материала; 2 - на прижимной лапке напряжение сжатия; 3 - на дополнительной балочкенитепритягивателе – напряжение изгиба с целью определения натяжения игольной нити в момент обвода ее вокруг шпуледержателя и в период затяжки стежка; 4 – на главном валу машины – напряжения кручения в период пуска и в установившемся режиме. По методике изложенной в лабораторной работе № 1 произвести не менее 3-х пробных кадров, а после стабилизации указанных процессов (т.е. получения похожих осциллограмм), произвести 5-7 контрольных кадров на каждый процесс. После чего по методике изложенной в лабораторной работе № 3 произвести расшифровку осциллограмм.

Лабораторная работа № 3 Расшифровка осциллограмм [2]

Точность определения величины и характера изменения исследуемого (измеряемого) параметра зависит от методики расшифровки записанной осциллограммы. На рис. 3.1 представлен пример записи угла поворота главного вала какой-то машины, например, тяжелой швейной машины, обувной машины типа ЗВ, ППС-С, АСГ-13 и т.п. во времени при установившемся режиме работы.

Рис. 3.1 1 – поперечное графление, отметка текущего времени; 2 – запись угла поворота главного вала машины, где S – расстояние между двумя соседними пиками тока, соответствующее прохождению отверстия диска насаженного на главный вал между источникам света и фотодиодом (фоторезистором), количество равномерно расположенных отверстий на диске обычно кратно 50, т.е. 72, 36, 18 и т.д. отверстий. Так как главный вал, ввиду больших инерционных моментов от различных механизмов, вращается в пределах цикла. Неравномерно, то время, соответствующее равным

углам поворота, будет разным, что на осциллограмме фиксируется разными расстояниями между пиками S. Подсчитав по отметкам времени (поперечное графление) время, допустим на 1 оборот главного вала, можно определить среднюю угловую скорость в данном промежутке времени. ω=

dϕ ∆ϕ = , dt ∆t

где ∆ϕ - угол поворота главного вала между двумя соседними отверстиями в диске (между двумя пиками); ∆t – время, соответствующее повороту главного вала на угол ∆ϕ. Для получения непрерывного графика изменения угловой скорости в пределах цикла строят график ϕ- t в прямоугольной системе координат, откладывая по одной оси угол поворота главного вала нарастающим порядком, по другой оси – нарастающее время t и после графического дифференцирования строят график ω-t. Поскольку графическое дифференцирование дает большие погрешности, целесообразнее пользоваться численным дифференцированием, путем составления таблиц конечных разностей. Так как на осциллограмме четко фиксируются углы поворота главного вала, то за независимую переменную следует принять угол поворота ϕ, заданный через равные интервалы ∆ϕ, за зависимую переменную – время t. Перед расшифровкой на отрезке осциллограммы выделить участок, отражающий установившееся движение главного вала машины при равномерном движении фотобумаги. Такой участок характерен (2-3)-х кратным повторением рисунка осциллограммы, а изменяющийся рисунок в течение определенного промежутка времени свидетельствует о периоде разгона (торможения) машины, т.е. неустановившийся период движения главного вала.

Поперечное графление (отметка времени), в данном случае через 5 интервалов, помечают номерами 1, 2, 3…п. Таблица 3.1 № п/п

Угол поворота, град.

∆1

К

Время t = (К + ∆ + ∆1)⋅τ, с

1. 2. 3. 4. В таблицу 3.1. занести результаты подсчета времени в каждом интервале. Так как нулевая линия поперечного графления может не совпадать с отметкой начала интервала (т.е. с пиком кривой 2), то визуально или с помощью линейки определяют это смещение ∆ в десятых долях, записывают ее значение над таблицей и учитывают при подсчете времени в каждом интервале. Далее подсчитывают число полных отметок времени К (т.е. число полных фаз) в каждом интервале, начиная от нулевой линии, и неполные интервалы времени ∆1 у каждой последующей поперечной отметки времени. Для получения времени в секундах сумму К + ∆ + ∆1 умножают на масштаб τ, соответствующий времени в секундах между двумя соседними отметками. Для подсчета угловой скорости ω численным дифференцированием должны быть известны значения t0, t1, t2, … tn интересующей нас функции, отвечающие значениям аргумента ∆ρ. Будем называть разностями первого порядка значения: ∆ tо = t1 – tо ; ∆ t1 = t2 – t1 ; (3.1) ---------------∆ tn = tn+1 – tn

разностями второго порядка значения ∆2 tо = ∆t1 – ∆tо; ∆2 t1 = ∆t2 – ∆t1; (3.2) ∆2 tn = ∆tn+1 – ∆tn. При достаточно малом аргументе ∆ϕ разности n-го порядка будут мало отличаться от дифференциала функции соответствующего (n-го) порядка. Для нахождения дифференциала dt используют формулу конечных разностей, выведенной Ньютоном: dt = ∆ t -

1 2 1 ∆ t + ∆3 t … 2 3

(3.3)

В нашем случае, т.е. для инженерных расчетов, достаточно ограничиться разностями второго порядка. Согласно существующей теории численного дифференцирования, если ∆ϕ = const, то приняв dϕ = ∆ϕ, угловую скорость можно определить из выражения: ω=

dϕ = dt

∆ϕ 1 ∆t − ∆2 t 2

(3.4)

Результаты вычислений по формулам (3.1 – 3.4) занести в таблицу 3.2. Таблица 3.2 № п/ п

Угол Время повоt, с рота, ϕ, град.

∆t

∆2 t

dt

Угловая скорость ω, с-1

Составляя таблицу конечных разностей необходимо все значения аргумента (ϕ), функции (t), разностей (∆t, ∆2 t) в любой строке должны иметь один и тот же индекс. В столбиках ∆t, ∆2 t, dt таблицы 3.2 сумма чисел каждого из них должна равняться разности значений между первым и последним числом предыдущего столбика. Поэтому для проверки правильности вычислений рекомендуется суммировать значения указанных столбиков. При составлении таблицы 3.2 в каждом последующем столбике последняя цифра пропадает, поэтому если при подсчете dt учитываются разности второго порядка, то в каждом рассматриваемом цикле (0-1, 1-2, 2-3 и т.д.) будет недоставать двух значений угловой скорости. Этот недостаток можно компенсировать взяв для расшифровки записи на два интервала по ∆ϕ больше, чем их содержится в цикле, причем один из них до начала цикла, второй - после его окончания или переходный. Для получения более достоверных данных, необходимо проводить 5-7 измерений включений машины, где в каждом должно быть не менее 3-х оборотов главного вала. Таким образом, в каждом обороте главного вала ωcp и определить машины можно вычислить ωmax, ωmin, коэффициент неравномерности Кн =

ϖ max − ϖ min ϖ cp Порядок выполнения работы

1. Подготовить осциллограф к записи, согласно лабораторной работе 1 и его паспорта. 2. Подготовить фотодатчик к записи, для чего диск с отверстиями закрепить на главном валу машины; фотосопротивление и источник света закрепляют на специальном основании, предварительно отрегулировав их

взаимное расположение; после этого подключают через усилитель к осциллографу и делают пробный прогон и регулировку яркости кривой 1 (рис. 3.1). 3. При установившемся режиме работы машины производят запись углов поворота главного вала за 3-5 оборотов. Скорость движения фотобумаги 500 и 1000 мм/с, длина кадра соответственно 0,5 и 1 метр. 4. На осциллограмме, после проявки выделить участок записи с равномерным движением фотоносителя (там есть периоды разгона и торможения) при установившемся режиме работы машины. 5. Произвести расшифровку 3-4 оборотов главного вала через 15-300 для двух вариантов скоростей движения фотобумаги. 6. По данным расшифровки и подсчетов заполнить таблицы 3.1 и 3.2. 7. По данным таблицы 3.2 построить график ω- t и по средним из трех оборотов главного вала значениям ωmax, ωcp определить процент неравномерности вращения ωmin, главного вала изучаемой машины. 8. В отчете по работе указать причины неравномерности вращения главного вала и пути его снижения. Лабораторная работа № 4 Датчики наиболее применяемые в исследованиях машин и процессов текстильной и легкой промышленности [2, 3]

Датчик - устройство, предназначенное для восприятия и преобразования информации о состоянии механизмов, машин, процессов и внешней среды (производственные условия, сырье, полуфабрикат, заготовка и др.). Работа всех датчиков основана на законах физики, а именно, законах механики, оптики, термодинамики, акустики,

электромагнетизма и электродинамики, физики сплошных сред, квантовой механики, других разделов и их стыков. Поэтому, если о принципе работы того или иного датчика будет сказано, что он основан на определенном физическом эффекте или законе, то дальше можно обращаться к этим законам физики. Относится это прежде всего к фотоэлектрическим, пьезоэлектрическим, полупроводниковым, магнитострикционным и индукционным и другим датчикам, наименование которых произошло от названия соответствующих физических эффектов и законов. В настоящее время в связи с миниатюризацией как самих датчиков, интерфейсов и процессоров их постоянным удешевлением идет массовое внедрение их в технологические машины, аппараты и агрегаты с целью превращения последних в автоматизированные и автоматические. Всего объективных законов в физике как основных законов материального мира более пятисот и их список постоянно расширяется, поэтому датчиков используемых далее в одной прикладной отрасли, например в легкой и текстильной промышленности, может быть очень много. В этой работе предприняты политика дать сведения и ознакомить студентов с наиболее применяемыми в указанных отраслях промышленности и в исследованиях различного оборудования и процессов в этих отраслях. Все датчики по назначению можно разделить: 1) датчики геометрических свойств; 2) датчики физических свойств; 3) датчики химических свойств. Датчики (в литературе по робототехнике – сенсоры) геометрических свойств определяют расстояние до предметов, считывают их конфигурацию, измеряют их площадь, объем и некоторые другие параметры. Датчики физических свойств используют для измерения перемещений, скоростей и ускорений, усилий, моментов,

напряжений, плотности, давления, температуры, освещенности и других параметров. Датчики химических свойств позволяют определять химический состав веществ с помощью анализаторов типовых химических реакций. К ним можно отнести и спектрометры и масс-спектрометры, хотя они являются сами по себе сложными, а значит дорогостоящими устройствами. К датчикам геометрических свойств можно отнести локационные дальномеры (радары), о положении звеньев, рабочих органов могут давать информацию микровыключатели, контактные и бесконтактные путевые выключатели и переключатели: герконы, фотореле и т.п. Для «распознавания» предметов (образов) или считывания их конфигурации, измерения площади и объема могут применяться фотодиодные матрицы, техническое зрение на основе теле, фото, оптовококонной или иной информации. Структурная схема локационного дальномера

З

П

У

БОД

О

И

ГИ

ОГ

Рис. 4.1.

Ин

ПУ

О – объект, И – излучатель, ГИ – генератор импульсов, ОГ – опорный генератор, П – приемник отраженных от объекта сигналов, У – усилитель, БОД – блок определения дальности, Ин – индикатор (экран), З – запись на носитель информации, ПУ – пульт управления. Объект – предмет до которого надо измерить расстояние. Принцип действия такой системы основан на измерении времени задержки отраженного от объекта импульса (обычно высокочастотного) по отношению к зондирующему сигналу в блоке определения дальности. А

ОГ, пунктирная – отраженный от объекта сигнал с запаздыванием по фазе. Структурная схема технического зрения Изображение объекта

Фокусировка на фоточувствительные Оптический блок

Преобразование светового сигнала

Устройство вторичной обработки информации

t

А

Сдвиг по фазе

t

Рис. 4.2. Формы кривых сверхвысокочастотных (до 1МГц ) СВ4 колебаний посылаемых локационным дальномером изображены на рис. 4.2. Сплошная линия – сигнал в БОД от

элементы

Цифровой сигнал

Устройство первичной обработки и сохранения

Выходной сигнал

Основные функции систем технического зрения: 1. Получение изображения внешней среды или рабочей сцены: детали, полуфабрикаты, узлы и т.д. 2. Определение наличия объекта в поле зрения системы. 3. Распознавание и выделение заданного объекта на изображении. 4. Определение координат объекта или его характерных точек относительно координат всей системы. 5. Формирование сигналы управления. 1) Способы обработки зрительной информации поступающей в изображение от визуальных

датчиков способы базирующиеся на методологии искусственного интеллекта с характерной для них логической последовательностью организации обработки, что позволяет проводить анализ и классификацию сравнительно сложных изображений. Например, окраски кож различной конфигурации, что значительно (до 30%) сокращает расход краски; выделение из хаотического расположения деталей различной конфигурации нужного объекта (военная разведка, осмотр затонувших судов и др.); 2) способы изначально прикладной ориентации, целью которых является обеспечение управляющих сигналов для ограниченного числа изображений. Например, окраска капотов, дверей, крышек багажника автомобилей одной или нескольких модификаций – на окрасочном конвейере. Управляющие сигналы передаются на соответствующие краскопульты. Существует 2 аналитических способа применяемых в системах технического зрения. 1. Выделение контурного изображения объекта, так как любой контур может быть описан компьютером, конечным числом прямых линий (строк) определенной длины, допустим наличие объекта – 1, отсутствие – 0, тогда сумма 1 на каждой строке укажет длину присутствия объекта на этой строке. В настоящее время применяют фотодиодные матрицы, кодирующие диски на фотоэлементах или телевизионные системы. 2. Считывание яркости элементов изображения, т.е. прием отраженного света, причем эта яркость может быть градуирована 1, 0,5; 0,25, 0, 125 и т.д., что позволяет опознавать сложные объекты, например

лицевая или изнаночная сторона детали из кожи, ткани и т.п. Датчики и приборы для измерения температуры В отраслях легкой промышленности датчики и приборы для измерения температуры применяют для автоматизации контроля, регулирования и управления тепловыми и температурными параметрами протекающих процессов: обработка кожевенного и мехового сырья, клеевые процессы в швейном и обувном производстве, влажно-тепловой обработки в швейном производстве и т.д. Чаще всего применяются жидкостные стеклянные термометры, манометрические термометры, термометры сопротивления, термопары и биметаллические реле. На рис. 4.3. показан пример использования жидкостного стеклянного термометра в системе автоматического регулирования (поддержания) температуры в рабочей среде.

Рис. 4.3 Пучок света от источника 1, при достижении требуемой температуры в резервуаре 5 с рабочей средой, перекрывается столбиком жидкости (непрозрачной или с малой

светопроводимостью) термометра 2. Фотодиод 3 замыкает (размыкает) первичную цепь 4 системы подогрева резервуара 5, подогрев или подача тепла в 5 прекращается. При падении температуры ниже требуемой происходит срабатывание фотодиода 3 и подогрев 5 возобновляется. Манометрические термометры используют зависимость давления рабочей среды в баллоне от температуры. Рабочая среда: газ, жидкость, парожидкостная смесь с большими коэффициентами теплового расширения. На рис. 4.4. показан принцип действия такого термометра.

Рис. 4.4 Баллон 1 с рабочей средой помещается в измеряемую среду и соединен капиллярной трубкой 2 с манометрической трубкой 3 (трубка Бурдона). При расширении рабочей среды в замкнутой системе 1, 2, 3, последняя стремится распрямиться и через передаточный механизм 4 (5-ти звенник и зубчатая передача), поворачивает стрелку 5 по часовой стрелке. Последняя указывает температуру по шкале 7 и одновременно может замыкать предельные контакты 6

автоматической системы регулирования температуры. Другой контакт этой системы должен находиться на стрелке 5. Манометрические термометры работают до 0 температуры 400 С и имеют следующие достоинства: высокая надежность и долговечность, если баллон 1 выполнен из жаро-, коррозионно-, механически стойких материалов. Недостатки: инерционность, нелинейность, низкая точность, сложность ремонта при разгерметизации системы 12-3. Принцип работы термометров сопротивления основан на зависимости активного сопротивления проводников и полупроводников от температуры. Проводниковые термометры сопротивления бывают медные (ТСМ), диапазон линейного изменения 0 0 сопротивления -–50 С до +180 С, платиновые (ТСП), диапазон линейности 00С ÷ +6000С. Эти термометры отличаются высокой точностью, при условии высокой точности и линейности цепей и приборов, проградуированных с электрических величин на температуру. Полупроводниковые термосопротивления, называемые термисторами, имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления, т.е. с увеличением температуры их сопротивление уменьшается. Функция преобразования термистора Rt =A eВ/Т , где Rt – сопротивление термистора при температуре Т по шкале Кельвина; А и В – постоянные, зависящие от материала и технологии изготовления термистора, причем А зависит, кроме того, от размеров и формы термистора. Термисторы отличает высокая точность измерений в определенных интервалах. Нелинейность главный их недостаток.

Термоэлектрические преобразователи или термопары работают на принципе возникновения термоЭДС в пограничном слое двух спаянных между собой электродов из разнородных металлов, если место спая (рабочий конец) нагревать, а температуру свободных (холодных) концов поддерживать постоянной. Холодный конец термопары термостатируют, т.е. отводят от измеряемого объекта, термоизолируют и т.п. обычно поддерживая его при комнатной температуре. Таблица 4.1 Тип термопары ТХК ТХА ТПП ТВР

Материал термоэлектродов

Обозначение градуировки

Хромель-копель Хромель-алюмель Платинородий (10%) – платина Вольфрамрений (5%) – вольфрамрений (20%)

ХК (L) ХА (К) ПП (S)

Диапазон измерения, 0 С (длительн. измерен.) -2000…+6000 -2000…+10000 00…+13000

ВР (А) - 1

00…+22000

В таблице 4.1 проведены наиболее распространенные типы термопар и их характеристики, выпускаемые промышленностью. ЭДС термопары обычно не превосходят 50 мВ. В качестве вторичных преобразователей (регистраторов t0), включенных в специальные схемы (мостовые, полумостовые и др., с автономным питанием) обычно используют магнитоэлектрические милливольтметры и потенциометры постоянного тока. Биметаллические реле, применяемые в утюгах, теплозащитных реле, электрочайниках и др., работают на

разнице теплового линейного расширения двух соединенных на концах тонких разнородных металлических пластин. Таким образом, биметаллические реле осуществляют ступенчатое регулирование (отключение) температуры. Датчики и приборы для измерения давлений Эти датчики с различными преобразователями и приборы устанавливают на самом различном оборудовании в отраслях текстильной и легкой промышленности, куда подаются технологический пар, сжатый воздух, растворы, а также на оборудовании, где используют гидро-, пневмопривод. Чаще всего применяют упругие чувствительные элементы - трубки Бурдона, мембраны, сильфоны различных конструкций, которые через передаточные механизмы показывают давление. Для расширения линейности прибора применяют трубчатые многовитковые пружины (рис. 4.5).

Рис. 4.5 На рис. 4.6 изображена схема мембраны. Между двумя половинами корпуса 1 зажата мембрана 2, которая изготавливается из резины, армированной тканью, стекловолокном, металлической проволокой или металла. Жесткие диски 3 при прогибе мембраны перемещают шток 4, который соединен через какую-то передачу или непосредственно со стрелкой 7 прибора, показывающей величину давления Р на шкале 8. Недостаток приборов с мембранным чувствительным элементом – небольшой диапазон линейности перемещения стрелок в зависимости от давления.

1 – чаши, корпус мембраны 2 – мембрана 3 – диски жесткие 4 – шток 5 – пружина 6 – передача зубчатая 7 – стрелка 8 – шкала Рис. 4.6 Для устранения этого недостатка применяют гофрированные мембраны и гофрированные коробки, а для увеличения хода штока и стрелки по линейному закону – сильфоны (рис. 4.7). Сильфон представляет собой гофрированный упругий цилиндр, выполненный из специальной бронзовой ленты. Они могут быть с пружинкой (см. рис. 4.7) или без нее.

Рис. 4.7 Потенциометрические датчики

Rн – активное сопротивление нагрузки Rg – изменяемое сопротивление датчика R – полное сопротивление потенциометра Рис. 4.8

Эти датчики преобразуют угловое перемещение движка 1 в соответствующее выходное напряжение Ивых. На выводы 2 и 3 потенциометра подается постоянное или переменное напряжение Ивх. Показатель нелинейности: R β= н R Чем больше β, тем выше нелинейность характеристики потенциометра, т.е. необходимо снижать Rн. Чувствительность потенциометра dU вых η= , dх где х – линейное перемещение движка соответствующее углу перемещения. В η = (3÷5)⋅10-3 мм В качестве Rg используют одну проволоку – реохорд и многовитковые – реостат, а также пленочные сопротивления (фольга). Класс точности: 0,01 % - пленочные 0,05 % - проволочные Погрешности в потенциометрах обусловлены изменением температуры (в т.ч. от трения движка по обмотке), «скачки» напряжения – при переходе движка с одного витка на другой, нелинейность передачи электрического сигнала Uвых обусловлена состоянием скользящего контакта (замасливание, пыль, влажность) и другими факторами. Потенциометрическая схема позволяет измерять с достаточной точностью угловые и линейные перемещения от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров сравнительно быстрые перемещения, а используя стандартные электрические блоки или компьютер, то и скорости, ускорения, рывки.

Тахогенераторы Они используются для измерения условий скорости различных приводов. Представляют собой электрическую машину, где измерительная обмотка в которой возбуждается ЭДС, может располагаться или на статоре, или на роторе. Ротор соединен с валом, частоту вращения которого необходимо измерить, т.е. амплитуда и частота ЭДС пропорциональна частоте вращения ротора. С увеличением частоты вращения увеличивается электрическая мощность вырабатываемая генератором, которая и фиксируется вторичным прибором. Индуктивные преобразователи Индуктивный преобразователь представляет собой катушку индуктивности (дроссель), полное сопротивление которой изменяется при взаимном относительном перемещении элементов магнитопровода. Имеются две группы преобразователей: с изменяющейся индуктивностью и с изменяющимся активным сопротивлением. Индуктивные датчики представляют собой неподвижную катушку 1 и подвижный сердечник 2, соединенный с измеряемым объектом (в данном случае его линейное перемещение по стрелке). Под воздействием измеряемого объекта подвижная часть, сердечник перемещается относительно неподвижной части, что приводит к изменению индуктивности катушки.

а

б

в

Рис. 4.9 Индуктивность катушки определяется следующим образом: Индуктивные датчики представляют собой неподвижную катушку 1 и подвижный сердечник 2, соединенный с измеряемым объектом (в данном случае его линейное перемещение по стрелке). Под воздействием измеряемого объекта подвижная часть, сердечник перемещается относительно неподвижной части, что приводит к изменению индуктивности катушки. W2 L= , RСТ + Rδ где W – число витков обмотки; RCT – магнитное сопротивление стального сердечника катушки и подвижного сердечника; Rδ - магнитное сопротивление воздушного зазора. Магнитные сопротивления участков стали (магнитомягкой) постоянны, а магнитное сопротивление зазора меняется при изменении зазора δ

Rδ =

2δ , µFo

где Fo – площадь зазора; µ - магнитная проницаемость зазора. Так как магнитное сопротивление зазора значительно больше магнитного сопротивления участков стали, т.е. Rδ>> RCT, то можно записать W 2 Fo µ L= 2δ Таким образом, конструктивно индуктивные датчики могут быть выполнены с переменным зазором δ, переменной площадью F0 или с переменой магнитной проницаемостью. Индуктивные датчики первого типа имеют высокую чувствительность и реагируют на изменение зазора 0,1÷0,5 мкм. Как видно из последнего выражения, зависимость индуктивности катушки L от зазора близка к линейной. Этими датчиками измеряют перемещения в диапазоне 0,1-1 мм. При большем зазоре зависимость L = F (δ) становится нелинейной (рис. 4.9а). При измерении перемещений до 5-8 мм используют датчики с переменной площадью зазора (рис. 4.9б). Распространены индуктивные соленоидные датчики с разомкнутой магнитной цепью (рис. 4.9в). В этих датчиках изменение индуктивности обмотки вызывается перемещением в катушке ферромагнитного сердечника. Ими можно измерять большие перемещения до 50-60 мм. Обмотка индуктивного датчика включается в электрическую цепь переменного тока. Изменение индуктивности катушки в результате изменения измеряемого параметра приведет к изменению полного сопротивления обмотки

Z=

R 2 + ω 2 L2 ,

где R – активная составляющая сопротивления; ω - круговая частота переменного тока. Соответственно ток в измерительной цепи U I= R 2 + ω 2 L2 По величине тока I судят об измеряемом параметре. Недостатком описанных датчиков является наличие «нулевого» сигнала, т.е. если измеряемый параметр равен нулю, то ток в измерительной цепи нулю не равен и показания прибора больше нуля. Для устранения «нулевого» сигнала применяют индуктивные дифференциальные датчики (рис. 4.10).

Рис. 4.10 Индуктивный дифференциальный датчик с переменным зазором включается в мостовую схему. Датчики такого типа имеют более широкий диапазон линейной характеристики, большую чувствительность и меньшую погрешность.

Индуктивные датчики просты по устройству, надежны, не имеют скользящих контактов, могут работать на переменном токе промышленной частоты, имеют достаточную выходную мощность. Сельсины Сельсины представляют собой электрические микромашины с однофазной обмоткой возбуждения и трехфазной вторичной обмоткой. В одних конструкциях (малогабаритных) обмотка возбуждения располагается на роторе, а 3-х фазная на статоре. В других конструкциях – наоборот.

Рис. 4.11 Выходной вал измеряемого объекта кинематически или жестко связан с ротором сельсина. При вращении ротора в его обмотке будет индуцироваться ЭДС, которая в нагрузочном сопротивлении создает напряжение с фазой изменяющейся пропорционально углу поворота ротора. Поток возбуждения ротора наводит в обмотках статора ЭДС переменного тока, частота которого равна частоте опорного питания. Величина этой ЭДС зависит от положения ротора. Чем выше опорная частота, тем точнее датчик. В измерительных системах сельсины чаще всего работают в трансформаторном режиме и содержат сельсиндатчик и сельсин-приемник (рис. 4.12).

Рис. 4.12 Напряжение Ub (возбуждения) подается в обмотку ротора сельсин-датчика. Обмотки статоров датчика и приемника соединены. ЭДС наводимая в обмотках фаз статора сельсин-датчика и зависящая от положения своего ротора создает аналогичный ток в обмотках фаз статора сельсин-приемника. Этот ток создает поворот ротора сельсинприемника, а в его обмотке индуцируется ЭДС. Выходное напряжение Uвых зависит от угла рассогласования γ между положениями роторов сельсин-датчика и сельсин-приемника. γ = α - β; Uвых = Umax⋅ sinγ, где Umax – вторичное напряжение трансформатора При α = β; Uвых = 0 Чувствительность сельсин-датчиков η ≈ 1 В/град. Погрешность измерения углов поворота - 20÷30′ угловых минут. Статическая характеристика при малых углах γ близка к линейной. Сельсин широко используются в следящих и других системах автоматического регулирования: подачи жидкости, газа и др. Вращающиеся трансформаторы Это электрические машины переменного тока с неявно выраженными полюсами. В статор и ротор укладывают по две

взаимно перпендикулярные обмотки. Воздушный зазор между ротором и статором, которые набраны из листовой электротехнической стали имеет постоянную величину.

sin α , 1 + K T cosα где КТ – коэффициент трансформации.

ЕR =

Погрешности измерения поворота вращающимися трансформаторами составляет ± (1÷3)′ (угловых минут). Они могут быть использованы для исследования вращательных движений: неравномерности вращения тяжелонагруженных валов в текстильной, кожевенной и др. отраслях под влиянием ударных и неравномерных нагрузок, например, со стороны полуфабриката, тяжелых звеньев и т.п. Индуктивные датчики позволяющие измерять крутильные колебания и передавать их в цифровой форме через интерфейсы компьютеру называются индуктосины и редуктосины. Их точность может достигать ± (5÷10)−// угловой минуты. Емкостные датчики [4] Рис. 4.13 На рис. 4.13: α - угол поворота ротора; Ws, Wк – обмотки статора, где Wк – компенсирующая обмотка, Wк, WR – обмотки ротора. Вращающиеся трансформаторы позволяют преобразовать угловое движение измеряемого объекта (вала), жестко и кинематически связанного с валом ротора в непрерывно изменяющееся напряжение переменного тока. Причем этот поворот ротора обычно фиксируется в функциях sin или cos угла α в зависимости от способа включения трансформатора. Напряжение снимаемое сопротивлением нагрузки ЕR, включенного во вторичную обмотку ротора, изменяется по закону:

Емкостные датчики широко применяют для контроля уровня, влажности, толщины, перемещений (небольших) и других технологических параметров во многих отраслях текстильной, легкой промышленности и на предприятиях службы быта (сервиса). Работа емкостных датчиков основана на зависимости εF С = 0,088 , d где С – емкость плоского конденсатора; F - площадь пластин, составляющих конденсатор; ε - относительная диэлектрическая проницаемость среды; d – расстояние между пластинами. Изменение измеряемого параметра приводит к изменению одного из параметров датчика: F, ε или d, и

следовательно к изменению его емкости. По изменению емкости датчика судят об измеряемом параметре. В зависимости от того, на какой параметр датчика воздействует измеряемая величина, в емкости датчика реализуется несколько зависимостей. Это датчики для измерения линейного перемещения, изменение емкости которых происходит за счет изменения площади пластин С = f(F) (рис. 4.14а). Одна из пластин датчика (конденсатора) неподвижна, другая перемещается под воздействием измеряемого объекта. Обозначим емкость датчика в начальный момент измерения Со (перемещение равно 0). Под воздействием измеряемого параметра объекта подвижная пластина переместится, и площадь между пластинами изменится на величину ∆ F, а емкость датчика будет равна С1. Изменение емкости составит ∆С = Со – С1 = 0,088

ε d

∆F =

εb d

∆h ,

где b – ширина пластин.

Рис. 4.14 В данном случае изменение емкости ∆С датчика связано с перемещением ∆h линейно. Конструктивно датчики такого типа могут быть выполнены с плоскими пластинами и цилиндрическими (рис. 4.14б). Если измеряемый параметр преобразован в угол поворота γ, то используются емкостные поворотные (вращающиеся) датчики (рис. 4.14в).

Для увеличения чувствительности емкостных датчиков такого типа можно применить много пластинчатые конденсаторы. При этом емкость определяется зависимостью: εF (n − 1) С = 0,088 , d где n – число пластин обеих обкладок. Датчики, изменение емкости которых происходит при изменении расстояния между пластинами под воздействием измеряемого параметра, представлены на рис. 4.14г С = f(d) Датчики, в которых изменение емкости происходит за счет изменения диэлектрической проницаемости под воздействием измеряемого параметра С = f(ε), представлены на рис. 4.14 д, е. В датчиках такого типа диэлектрик может перемещаться перпендикулярно или параллельно плоскости пластин. Датчики первого типа удобно использовать для измерения уровня жидкости или сыпучих материалов, т.к. диэлектрические проницаемости воздуха и растворов значительно отличаются друг от друга. При изменении уровня раствора, т.е. при перемещении диэлектрика, образуются два параллельно соединенных конденсатора, общая емкость которых С = С1 + С2 Датчик второго типа обычно используется для измерения толщины, влажности протекающих растворов или перемещаемых полуфабрикатов. Такой датчик подобен конденсатору с двойным диэлектриком. Для измерения малых изменений емкости такими датчиками используют мостовые или резонансные схемы с усилителями. Емкостные датчики обладают такими достоинствами: высокая чувствительность, простота конструкции, малые размеры, малая масса и инерционность, возможность бесконтактного измерения.

Недостатки: сильное влияние на точность измерения температуры и влажности окружающей среды, которые оказывают влияние на геометрические размеры датчиков и на диэлектрическую проницаемость воздуха. Из других датчиков, применяемых в исследованиях процессов и механизмов в текстильной и легкой промышленности можно отметить различные виды фотоэлектрических датчиков – фотодиоды, фототриоды, фоторезисторы газонаполненные и полупроводниковые. Имеют применение пьезоэлектрические датчики, работающие на пьезоэлектрическом эффекте – способности некоторых кристаллов при приложении нагрузки вырабатывать электрический импульс. В технологиях, где идут химические реакции: «мокрые» процессы выделки кожи, меха, их крашении, бытовом обслуживании и др. Широко применяют различные химические и электрохимические датчики, которые определяют концентрации растворов, кислотность или щелочность растворов (рН), содержание тех или иных элементов (примесей) и т.п. Методика выполнения работы 1. По выданным преподавателем датчикам – не менее 3, определить их типы, описать принцип действия, в случае комбинированных датчиков, составить кинематическую схему. 2. Составить схему измерения с использованием одного из датчиков, используя дополнительную литературу, консультации преподавателя. 3. В качестве самостоятельной работы собрать такую схему для измерения толщины, влажности, числа оборотов, ускорения, силы инерции или полезных сопротивлений по указанию преподавателя на конкретный механизм или операцию.

Литература 1. Евтихиев Н.Н. и др. Измерение электрических и неэлектрических величин. М.: Энергоатомиздат, 1990. 2. Райкунова Л.М. Проектирование ткацких станков. Лабораторный практикум. МВССО, ЛИТЛП, Ленинград, 1976. 3. Орловский Б.В. Основы автоматизации швейного производства. 2-е издание. М.: Легпромбытиздат, 1988. 4. Бабаева Л.Б., Маркова Р.Ф. Основы автоматизации технологических процессов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.

Рецензия на методическое пособие Лабораторный практикум по курсу «Основы научных исследований» Автор – к.т.н., доцент кафедры МАЛП Буянтуев А.Б. Объем пособия п.л. Содержание пособия соответствует учебному плану спец. 1707 и программе курса, разработанному кафедрой

МАЛП. Пособие восполняет недостаток литературы по проведению экспериментальных исследований процессов и оборудования в отраслях легкой и текстильной промышленности. Пособие написано доступным для понимания студентов, может быть использовано для проведения лабораторных работ по аналогичному курсу на специальностях, выпускаемых кафедрой ТИЛП. Лабораторная база кафедр МАЛП и ТИЛП позволяет проводить работы, предлагаемые в данном пособии. Вышеизложенные данные служат обоснованием для тиражирования пособия через РИО ВСГТУ в количестве 50100 экземпляров. Рецензент, к.т.н., доцент кафедры ТИЛП ______________Жигмытов Ч.Ц.