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-z.電感式傳感器測(cè)液位高度在監(jiān)測(cè)鍋爐水位方面的應(yīng)用TOC\o"1-1"\h\z\u1設(shè)計(jì)名稱:22摘要33應(yīng)用背景與目的:34設(shè)計(jì)原理:35設(shè)計(jì)任務(wù)及技術(shù)指標(biāo):46懸臂梁構(gòu)造設(shè)計(jì):47應(yīng)變電橋的選擇及設(shè)計(jì)計(jì)算58電橋電路的選擇設(shè)計(jì)與分析8◆一.設(shè)計(jì)名稱:電感式傳感器測(cè)液位高度◆二.摘要當(dāng)液位高度變化時(shí),引起浮子的變化,浮子與銜鐵相連,進(jìn)而帶動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng),銜鐵的運(yùn)動(dòng),使差動(dòng)變壓器的次級(jí)線圈互感電流變化,輸出電流〔電壓〕發(fā)生變化。通過電表將變化信息顯示出來,實(shí)現(xiàn)物理量等非電量向電量的轉(zhuǎn)化?!羧?應(yīng)用背景與目的:鍋爐是利用燃料或其他能源的熱能,把水加熱成為熱水或蒸汽的機(jī)械設(shè)備。因此,水位高度的監(jiān)測(cè)尤為重要。將電感式傳感器,應(yīng)用到鍋爐系統(tǒng)當(dāng)中,對(duì)鍋爐水位進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),能時(shí)刻掌握鍋爐水位變化情況,防止意外發(fā)生。◆四.設(shè)計(jì)原理:1.差動(dòng)變壓器:一種廣泛用于電子技術(shù)和非電量檢測(cè)中的變壓裝置。用于測(cè)量位移、壓力、振動(dòng)等非電量參量。它既可用于靜態(tài)測(cè)量,也可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。差動(dòng)變壓器的根本組成局部包括一個(gè)線框和一個(gè)鐵心。在線框上設(shè)置一個(gè)原繞組和兩個(gè)對(duì)稱的副繞組,鐵心放在線框中央的圓柱形孔中。在原繞組中施加交流電壓時(shí),兩個(gè)副繞組中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e1和e2。如果兩個(gè)副繞組按反向串聯(lián)(圖1),則它的總輸出電壓u2=u21-u22≈e1-e2。當(dāng)鐵心處在中央位置時(shí),由于對(duì)稱關(guān)系,e1=e2,輸出電壓u2為零。如果鐵心向右移動(dòng),則穿過副繞組2的磁通將比穿過副繞組1的磁通多,于是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2>e1,差動(dòng)變壓器輸出電壓u2不等于零,而且輸出電壓的大小與鐵心位移*之間根本成線性關(guān)系,其特性如圖2所示,呈V字形。用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路測(cè)量,可以得到差動(dòng)變壓器輸出與位移*成比例的線性讀數(shù)。最常用的測(cè)量電路是差動(dòng)整流電路,它把兩個(gè)次級(jí)電壓分別整流后,以它們的差作為輸出。差動(dòng)整流電路有電流輸出型和電壓輸出型,前者用于連接低阻抗負(fù)載的場(chǎng)合;電壓輸出型差動(dòng)整流電路則用于連接高阻抗負(fù)載的場(chǎng)合.差動(dòng)變壓器的構(gòu)造原理與等效電路分氣隙型和差動(dòng)變壓器兩種。目前多采用螺管型差動(dòng)變壓器。
其根本元件有銜鐵、初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和線圈框架等。初級(jí)線圈作為差動(dòng)變壓器鼓勵(lì)用,相當(dāng)于變壓器的原邊,而次級(jí)線圈由構(gòu)造尺寸和參數(shù)一樣的兩個(gè)線圈反相串接而成,相當(dāng)于變壓器的副邊。螺管形差動(dòng)變壓器根據(jù)初、次級(jí)排列不同有二節(jié)式、三節(jié)式、四節(jié)式和五節(jié)式等形式。
(a)氣隙型(b)螺管型
1初級(jí)線圈;2.3次級(jí)線圈;4銜鐵三節(jié)式的零點(diǎn)電位較小,二節(jié)式比三節(jié)式靈敏度高、線性圍大,四節(jié)式和五節(jié)式改善了傳感器線性度。
差動(dòng)變壓器線圈各種排列形式
1初級(jí)線圈;2次級(jí)線圈;3銜鐵
在理想情況下(忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗),差動(dòng)變壓器的等效電路如圖。
初級(jí)線圈的復(fù)數(shù)電流值為
在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22,其值分別為
2.測(cè)量電路:差動(dòng)變壓器輸出電壓為交流信號(hào),它與銜鐵移動(dòng)的位移成正比。用交流電壓表測(cè)量其輸出值只能反映銜鐵位移大小,不能判別銜鐵移動(dòng)的方向,因此采用差動(dòng)整流電路來實(shí)現(xiàn)方向這一問題。電路圖如下:全波整流電路和波形圖該電路是根據(jù)半導(dǎo)體二極管單向?qū)ㄔ磉M(jìn)展解調(diào)的,假設(shè)傳感器上面的二次線圈的輸出瞬時(shí)波形為上半周,a點(diǎn)為正,b點(diǎn)為負(fù),則在上線圈中,電流自a點(diǎn)出發(fā),路徑是a-1-4-2-3-b。反之,如a點(diǎn)為負(fù),b點(diǎn)為正,則電流路徑為b-3-4-2-1-a??梢?,無論二次線圈輸出電壓瞬時(shí)極性如何,通過電阻R的電流總是4-2。3.整體思路:當(dāng)液位高度變化時(shí),引起浮子的變化,浮子與銜鐵相連,進(jìn)而帶動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng),銜鐵的運(yùn)動(dòng),使差動(dòng)變壓器的次級(jí)線圈互感電流變化,輸出電流〔電壓〕發(fā)生變化。通過電表將變化信息顯示出來,實(shí)現(xiàn)物理量等非電量向電量的轉(zhuǎn)化?!粑?零件尺寸:⑴量程:0-3.15m;⑵浮子:材料為鋼〔密度為ρ=7.8×103kg/m3〕外徑D=50mm,空心直徑d=48mm;質(zhì)量為32.7g⑶滑輪:D滑輪=⑷傳動(dòng)軸:長(zhǎng)度為24mm,螺距為1mm,直徑為10mm;⑸電橋電壓:5V?!袅?構(gòu)造設(shè)計(jì):1.變壓器:220v/6.4v=n1/n2,線圈匝數(shù)之比約為34.原理圖如下:2.測(cè)量電路:根本原理圖如下,水位的變化引起浮子系統(tǒng)變化,進(jìn)而帶動(dòng)銜鐵的運(yùn)動(dòng),使二次線圈的互感發(fā)生變化,導(dǎo)致電流表示數(shù)變化。實(shí)現(xiàn)了非電量向電量的轉(zhuǎn)化,到達(dá)測(cè)液位高度的目的。3.浮子傳動(dòng)構(gòu)造設(shè)計(jì)及計(jì)算〔1〕.浮子尺寸計(jì)算:查閱資料得知,浮子構(gòu)造為空心球,外徑D=50mm,材料為鋼〔密度為ρ=7.8×103kg/m3〕。浮在水面時(shí)有一半的體積在空氣中?!郍=F浮,m=∴7.8×103kg/m3×4/3×3.14×[(0.05/2)3-r3]×10N/kg=1×103kg/m3×10N/kg×4/3×3.14解得:r=24mm,即空心直徑d=48mm浮子質(zhì)量:m=ρv=F浮/g=1×103kg/m3×4/3×3.14×(0.05/2)3浮子重力:G=mg=0.327N〔2〕.量程計(jì)算:滑輪直徑50mm,滑輪所在傳動(dòng)軸直徑為10mm,螺距為1mm,銜鐵可移動(dòng)圍是20mm,所以要求滑輪可轉(zhuǎn)過20圈,滑輪周長(zhǎng)C=πD=3.14×50=175.5mm,量程為20×C=3150mm=3.(3).滑輪傳動(dòng)具體構(gòu)造如下列圖:利用渦輪原理,滑輪隨著浮子的上下移動(dòng)而在傳動(dòng)軸上轉(zhuǎn)動(dòng),因此,就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向位移,推動(dòng)銜鐵運(yùn)動(dòng),到達(dá)測(cè)量目的。4.整體構(gòu)造圖:1.浮球,2.細(xì)線,3.滑輪,4.傳動(dòng)軸,5.銅管,6.銜鐵,7.測(cè)量電路,此外還有提供力矩的游絲〔圖中未畫出〕當(dāng)水位上漲時(shí),浮子不能將位移傳遞給滑輪,所以要附加一個(gè)自動(dòng)收繩裝置〔類似于卷尺〕。查閱資料:游絲扭矩為2.2N,所以在細(xì)線上加2N配重。1.當(dāng)水位上漲時(shí),因?yàn)楦∏蚪谒畜w積增大,所以F浮>G細(xì)線會(huì)彎曲,但是因?yàn)?.2N>2.0N,故細(xì)線又會(huì)收緊,帶動(dòng)滑輪運(yùn)動(dòng)。將軸向位移傳遞給銜鐵。2.當(dāng)水位下降時(shí),F浮<G,浮球隨水位下降,此時(shí),G+2N〔配重〕=2.327N>2.2N.所以浮子能夠克制游絲扭矩向下移動(dòng)。到達(dá)同步作用。綜上,在兩種情況下的液位變化都能將位移傳遞給銜鐵,實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)化,到達(dá)測(cè)量目的。5.實(shí)物仿真圖◆七.誤差分析:1、鼓勵(lì)電壓幅值與頻率的影響鼓勵(lì)電源電壓幅值的波動(dòng),會(huì)使線圈鼓勵(lì)磁場(chǎng)的磁通發(fā)生變化,直接影響輸出電勢(shì)。而頻率的波動(dòng),只要適當(dāng)?shù)剡x擇頻率,其影響不大。2、溫度變化的影響周圍環(huán)境溫度的變化,引起線圈及導(dǎo)磁體磁導(dǎo)率的變化,從而使線圈磁場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生溫度漂移。當(dāng)線圈品質(zhì)因數(shù)較低時(shí),影響更為嚴(yán)重,因此,采用恒流源鼓勵(lì)比恒壓源鼓勵(lì)有利。適當(dāng)提高線圈品質(zhì)因數(shù)并采用差動(dòng)電橋可以減少溫度的影響。3、零點(diǎn)剩余電壓當(dāng)差動(dòng)變壓器的銜鐵處于中間位置時(shí),理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上,當(dāng)使用橋式電路時(shí),在零點(diǎn)仍有一個(gè)微小的電壓值(從零點(diǎn)幾mV到數(shù)十mV)存在,稱為零點(diǎn)剩余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)剩余電壓的輸出特性。零點(diǎn)剩余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū);零點(diǎn)剩余電壓輸入放大器會(huì)使放大器末級(jí)趨向飽和,影響電路正常工作等。圖中e1為差動(dòng)變壓器初級(jí)的鼓勵(lì)電壓,e20包含基波同相成分、基波正交成分,二次及三次諧波和幅值較小的電磁干擾等。零點(diǎn)剩余電壓產(chǎn)生原因:①基波分量。由于差動(dòng)變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組不可能完全一致,因此它的等效電路參數(shù)〔互感M、自感L及損耗電阻R〕不可能一樣,從而使兩個(gè)次級(jí)繞組的感應(yīng)電勢(shì)數(shù)值不等。又因初級(jí)線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻,線圈匝間電容的存在等因素,使鼓勵(lì)電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。②高次諧波。高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響,使得鼓勵(lì)電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通,從而在次級(jí)繞組感應(yīng)出非正弦電勢(shì)。另外,鼓勵(lì)電流波形失真,因其含高次諧波分量,這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)剩余電壓中有高次諧波成分。消除零點(diǎn)剩余電壓方法:1.從設(shè)計(jì)和工藝上保證構(gòu)造對(duì)稱性為保證線圈和磁路的對(duì)稱性,首先,要求提高加工精度,線圈選配成對(duì),采用磁路可調(diào)節(jié)構(gòu)造。其次,應(yīng)選高磁導(dǎo)率、低矯頑力、低剩磁感應(yīng)的導(dǎo)磁材料。并應(yīng)經(jīng)過熱處理,消除剩余應(yīng)力,以提高磁性能的均勻性和穩(wěn)定性。由高次諧波產(chǎn)生的因素可知,磁路工作點(diǎn)應(yīng)選在磁化曲線的線性段。
2.選用適宜的測(cè)量線路
采用相敏檢波電路不僅可鑒別銜鐵移動(dòng)方向,而且把銜鐵在中間位置時(shí),因高次諧波引起的零點(diǎn)剩余電壓消除掉。如圖,采用相敏檢波后銜鐵反行程時(shí)的特性曲線由1變到2,從而消除了零點(diǎn)剩余電壓。
相敏檢波后的輸出特性
3.采用補(bǔ)償線路①由于兩個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓相位不同,并聯(lián)電容可改變其一的相位,也可將電容C改為電阻,如圖(a)。由于R的分流作用將使流入傳感器線圈的電流發(fā)生變化,從而改變磁化曲線的工作點(diǎn),減小高次諧波所產(chǎn)生的剩余電壓。圖(b)中串聯(lián)電阻R可以調(diào)整次級(jí)線圈的電阻分量。調(diào)相位式剩余電壓補(bǔ)償電路
②并聯(lián)電位器W用于電氣調(diào)零,改變兩次級(jí)線圈輸出電壓的相位,如下圖。電容C(0.02μF)可防止調(diào)整電位器時(shí)使零點(diǎn)移動(dòng)。
電位器調(diào)零點(diǎn)剩余電壓補(bǔ)償電路
③接入R0(幾百kΩ)或補(bǔ)償線圈L0(幾百匝)。繞在差動(dòng)變壓器的初級(jí)線圈上以減小負(fù)載電壓,防止負(fù)載不是純電阻而引起較大的零點(diǎn)剩余電壓。電路如圖。R或L補(bǔ)償電路本錢預(yù)算表格材料單價(jià)銷售公司用量總計(jì)變壓器4.02元/Kg**魯岳銷售1Kg4元線圈230元/Kg鼎井金屬材料10g2.3元電阻18元/片威海諾金傳感技術(shù)1片18元電流表7元/Kg赫特化工2Kg14元二極管35元/Kg帥源化工500g17.5元滑輪0.2元/個(gè)紅利豐科技5個(gè)1元傳動(dòng)軸/50元104.8元游絲銜鐵銅管細(xì)線浮球其他各成員具體職責(zé):工程經(jīng)理:總體的工程籌劃,確保工程目標(biāo)實(shí)現(xiàn),協(xié)調(diào)各組員的工作,參與方案設(shè)計(jì),進(jìn)展設(shè)計(jì)書的編寫與后期辯論。
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