МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ И ТВОРЧЕСТВА

Федотов А.И.

ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Учебно-методическое пособие

для студентов вузов, обучающихся по профилю «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов», направления подготовки 190600.62 эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов, квалификации – «бакалавр», а также 190600.68 степени - «магистр»

Иркутск

Г.

УДК

ББК

Федотов А.И.

Основы научных исследований: Учебно-методическое пособие. Изд-во ИрГТУ, Иркутск. 2012. 122 с. Ил. 67. Табл. 9. Библиограф.: 14 назв.

Рецензент: Озорнин С.П. доктор техн. наук, профессор кафедры «СДМ» Забайкальского государственного университета

В учебно-методическом пособии приведены теоретические основы, методы и средства проведения научных исследований. Изложены методы измерения параметров физических величин, характеризующих техническое состояние автомобиля, его агрегатов, механизмов, узлов и систем, а также принципы функционирования измерительного оборудования. Подробно рассмотрены процессы задания режимов тестовых воздействий на объекты научных исследований и реализующее их оборудование. Большое внимание уделено изучению компьютерных и микропроцессорных методов получения и обработки исследовательской информации.

Учебно-методическое пособие рассчитано на подготовку бакалавров и магистров в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов в соответствии с Федеральными Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования третьего поколения по направлению подготовки 190600.62 эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов, квалификации - " бакалавр", а также 190600.68 степени - «магистр». Полезен для инженерно-технических и научных работников, а также аспирантов, занимающихся проведением научных исследований процессов эксплуатации, диагностирования, контроля и испытания автомобилей.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ И ТВОРЧЕСТВА

ТЕМА 1. Изучаемые вопросы: Понятие о научном исследовании; Объект научного исследования; Структура процесса функционирования объекта исследования; Формулирование цели и постановка задач исследования; Виды научных исследований.

Научное исследование – этопроцесс получения новых знаний

Результатом научного исследования являются новые знания в виде: выявленных закономерностей; графиков зависимостей; математических уравнений; числовых значений; таблиц и др.

Объектом научного исследования – является процесс (Например: процесс функционирования автомобиля на заданных режимах или в заданных условиях; процесс износа агрегата, эффективности его работы, старения, энергозатрат и пр.). Для технических объектов (для автомобильного транспорта, его агрегатов, механизмов, систем, деталей и т.п.) процесс функционирования объекта исследования может быть представлен в виде структурной схемы (рис. 1).

Из схемы, рис. 1 видно, что для функционирования объекта исследования на его вход подаются управляющие воздействия U₁, U₂, …. U_i (Например:

Рис.1 Структурная схема процесса функционирования объекта исследования объекта исследования

нажатие на педаль управления тормозом; подача на вход коробки передач крутящего момента и т.п.). При этом на выходе объекта исследования можно измерить функциональные параметры Х₁, Х₂, .... Х_j, которые характеризуют качество процесса функционирования объекта исследования (Например: длина тормозного пути, время срабатывания тормозной системы; момент и частота вращения выходного вала коробки передач).

Следует иметь в виду, что на качество процесса функционирования объекта исследования оказывают влияние как его внутренние параметры Y₁, Y₂, …. Y_k, так и внешние факторы Ф₁, Ф₂, …. Ф_m.

Для автомобильной техники внутренние параметры Y₁, Y₂, …. Y_k – это в большинстве случаев параметры технического состояния объекта исследования (величина зазоров между его сопрягаемыми деталями, размеры их рабочих поверхностей, регулировочные параметры и пр.) Величины этих параметров влияют на техническое состояние объекта исследования.

Параметры Ф₁, Ф₂, …. Ф_m характеризуют воздействие на объект исследования внешних факторов. Внешние факторы ни как не зависят от объекта исследования (его состояния, интенсивности работы, и пр.) но зато весьма значительно влияют на исследуемый процесс. Примерами воздействия внешних факторов на объект исследования являются: климатические и природные явления, погода (дождь, ветер, снег, высокая или низкая температура окружающей среды, атмосферное давление, влажность воздуха и пр.), дорожные условия (качество дороги, вид и качество её покрытия, коэффициент сопротивления качению, коэффициент сцепления шины с дорогой, величина продольных и поперечных уклонов дороги и пр.).

В зависимости от цели и задач научных исследований, устанавливают закономерности между параметрами объекта исследования. Например:

- устанавливают закономерность Y₂=f(U₁) изменения износа агрегата Y₂, от воздействия крутящего момента U₁на его входе;

- устанавливают закономерность Х₄= f(Ф₅) изменения расхода топлива Х₄у автомобиля при низких температурах Ф₅окружающей среды;

- устанавливают закономерность Y₇= f(Ф_10, Ф₁₁и Ф₁₂) износа Y₇накладок на тормозных колодках при торможении автомобиля на дорогах без покрытия Ф_10, Ф₁₁и Ф₁₂.

МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ТЕМА 3. Изучаемые вопросы: Методика планирования экспериментального исследования; Цель планирования экспериментального исследования; Определение объема выборки методом проверки статистических гипотез.

Общее понятие о планированииэкспериментального исследования.

Планирование выполняют с целью определения необходимого и достаточного объема испытаний (объема выборки).

Фактические значения измеряемых параметров при экспериментальных исследованиях зависят от влияния на объект исследования многих случайных внешних факторов Ф₁, Ф₂, …. Ф_m (см. Рис.1). Точность экспериментальных исследований можно значительно повысить, если увеличить количество проведенных испытаний n. Поэтому очень важно определить необходимый и достаточный объем испытаний. Для нахождения необходимого количества испытаний n, применим известный метод проверки статистических гипотез [1].

Согласно метода проверки статистических гипотез, перед проведением экспериментов (испытаний) необходимо определить минимальное число испытаний n_и, обеспечивающее необходимую точность выполненных измерений. Для каждого испытания проверяется предположение о том, что среднеквадратическое отклонение измеряемых в эксперименте параметров не превышает некоторый, заданный исследователем уровень погрешности d_и:

. (1)

Заданный уровень погрешности d_и определяется по следующему выражению [1]:

, (2)

где: b = 0, 05 - коэффициент, учитывающий долю погрешности относительно среднего значения измеряемого параметра .

Среднее значение измеряемого параметра в свою очередь определяется по формуле [1]:

, (3)

где: - сумма значений измеряемого параметра при n испытаниях;

n – количество испытаний.

Дисперсия измеренных параметров определяется по формуле [1]:

, (4)

Таким образом, среднеквадратическое отклонение e наблюдаемых параметров определяют по формуле [1]:

, (5)

где: g = 0, 95 - доверительная вероятность;

t - коэффициент, определяемый по таблицам распределения Стьюдента при g = 0, 95 (распределение Стьюдента применяется при малых числах проведения испытаний n³ 4);

Реализацию данного метода нужно производить в следующем порядке:

3.1. Проводят два экспериментальных исследования;

3.2. Согласно формулам (2 ¸ 5) определяют статистические параметры d, , e, .

3.3. Проверяют выполнение условия (1), согласно которому среднеквадратическое отклонение не должно превышать заданный уровень погрешности d_и;

3.4. При невыполнении условия (1) проводят повторные испытания;

3.5. Повторяют пункты 3.1. – 3.3. до момента выполнения условия (1);

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЗАДАНИЯ ТЕСТОВЫХ РЕЖИМОВ

ТЕМА 4. Изучаемые вопросы: Оборудование для задания тестовых режимов функционирования объектов исследования; Стенды с беговыми барабанами; Стенды для исследования характеристик шин; Стенды для задания тестовых режимов при исследовании автомобильного двигателя.

В процессе эксплуатации автомобилей возникает необходимость периодически определять соответствие параметров, характеризующих их функциональные возможности, нормативным требованиям. На величину подавляющего большинства этих параметров (тормозная сила, расход топлива, сила сопротивления качению, сила тяги и т. п.) в значительной мере влияют внешние факторы, такие как: температура воздуха, его влажность, тип и качество дорожного покрытия, и многие другие. Влияние это настолько существенно, что параметры технического состояния одного и того же автомобиля, измеренные в дорожных условиях в разное время года или при разных погодных условиях, могут отличаться друг от друга на 50% и более. Такая величина погрешности при определении функциональных параметров, конечно же, не дает возможности с высокой степенью достоверности судить о техническом состоянии диагностируемого автомобиля, его агрегатов, механизмов, систем, деталей. Одним из возможных вариантов защиты от внешних факторов является укрытие автомобиля в закрытом помещении. Но как сделать так, чтобы автомобиль мог полноценно функционировать в закрытом помещении.

Одним из решений этого противоречия является применение для исследования автомобилей стендов с беговыми барабанами. Стенды с беговыми барабанами реализуют принцип обратимости движения, суть которого заключается в том, что в процессе исследования движется опорная поверхность стенда, вращаются опорные ролики «движется дорога», работает двигатель, агрегаты и системы, вращаются колеса, а сам автомобиль стоит. Это позволяет обеспечивать автомобилю заданные тестовые воздействия, которые характеризуются режимами его функционирования на стенде (скоростью вращения колес, мощностью, крутящими моментами, частотами вращения, температурными режимами и т.п.).Стенды позволяют выполнять исследования автотранспортных средств, в защищенных от климатических, погодных и прочих внешних воздействий помещениях.

Для задания тестового режима, у стоящего на роликах стенда автомобиля, его агрегаты, системы и механизмы заставляют работать в таких же скоростных и нагрузочных режимах, как при его функционировании в дорожных условиях. Это позволяет исключить влияние внешних факторов на процесс исследования автомобиля, а также с достаточно высокой точностью определять исследуемые параметры.

Анализируя исследовательские возможности стендов с беговыми барабанами, следует отметить, что при помощи передвижных стендов, разработанных в Харьковском автомобильно-дорожном институте под руководством профессора Н.Я. Говорущенко, на одной из дорог г. Харькова было выявлено 77% автомобилей с неисправностями тормозной системы, 51, 4% - с дефектами рулевого управления, 88% - с неисправностями ходовой части [9].

Стенды с беговыми барабанами обеспечивают возможность проведения исследований тяговых и тормозных качеств автомобиля, исследовать его ходовые и топливно-экономические показатели, осуществлять исследования качества функционирования его агрегатов, узлов и систем. В качестве примера, на рис. 4 приведен внешний вид стенда с беговыми барабанами конструкции ИрГТУ для диагностики автомобилей.

а)

б)

Рис. 4 Внешний вид стенда с беговыми барабанами конструкции ИрГТУ для диагностики автомобилей, а) рабочее место оператора с компьютером стенда; б) автомобиль на стенде.

Из схемы (рис. 5) видно, что нагружающими элементами стенда конструкции ИрГТУ являются маховые массы, которые в процессе разгона колес от двигателя автомобиля запасают кинетическую энергию, а при отключении двигателя, отдают эту энергию для поддержания вращения колес автомобиля.

Стенд позволяет проводить исследования тормозных систем автомобилей с функционирующей ABS, а также противозаносных систем.

Рис. 5 Схема тормозного роликового стенда конструкции ИрГТУ: 1 – неподвижная платформа, 2 – подвижная платформа, 3 – опорный ролик, 4, 6 – цепные передачи, 5 – маховая масса, 7 – цепная муфта, 8 – магнитострикционный датчик тормозного момента, 9 – угловой редуктор, 10 – шлицевый карданный вал, 11 – индуктивный датчик угловой скорости опорного ролика, 12 – индуктивный датчик угловой скорости колеса автомобиля (штатный датчик ABS), 13 – датчики веса, 14 – датчик усилия на педали тормоза, 15 – блок усилителей-преобразователей, 16 – АЦП, 17 - ЭВМ

Исследовать работу ходовой части и агрегатов трансмиссии (в том числе и автоматической). Осуществлять исследование гибридных силовых установок и др. Стенд обеспечивает эффективное тестовое воздействие на автомобиль, его агрегаты и системы. Позволяет выполнять измерение исследуемых параметров (тормозных и тяговых сил на колесах, скорости их вращения, а также параметров, характеризующих качество функционирования агрегатов и систем автомобиля) при помощи компьютерного измерительного комплекса.

В процессе исследования характеристик автомобильных шин используют специализированные стенды (рис. 6). Такие стенды обеспечивают возможность исследования характеристик шин, работающих в тормозном, тяговом, ведомом и свободном режиме, в широком диапазоне скоростей вращения (до 400 км/час).

Рис. 6 Внешний вид стенда для испытаний автомобильных шин.

На рис. 7 представлена кинематическая схема для исследования характеристик шин. Беговой барабан 1 имеет специальное покрытие, обеспечивающее заданные значения коэффициента сцепления. Левая часть стенда (с колесом 4) обеспечивает возможность исследования работы колеса в тормозном, ведомом и свободном режиме, при его плоскопараллельном качении. Правая часть стенда (с колесом 16) обеспечивает возможность исследования процессов движения колеса с углами увода. Гидравлические цилиндры 9 и 10 стенда нагружают колеса с эластичными шинами нормальной нагрузкой F_z. Тензобалки 2 и 17 совместно с измерительной аппаратурой стенда осуществляют измерение продольных R_x и R_y боковых реакций, возникающих в пятне контакта шины и бегового барабана 1.

Рис. 7 Структурная схема стенда для испытаний автомобильных шин.

Для качественного исследования топливных насосов высокого давления (ТНВД) дизелей также применяют специальные стенды. Внешний вид одного из таких стендов представлен на рис. 8.

Тестовое воздействие при исследовании ТНВД заключается в обеспечении вращения его вала с заданными фиксированными частотами, и измерении цикловой подачи каждой секцией насоса за заданное количество (обычно 100 или 250) полных ходов её плунжера.

Рис. 8 Внешний вид стенда для испытания и регулировки топливных насосов высокого давления

На рис. 9 представлена структурная схема стенда для испытания и регулировки топливных насосов высокого давления, показывающая принцип его работы. Так вращение вала ТНВД с заданными фиксированными частотами и их регулирование обеспечивает электрический привод, состоящий из асинхронного электродвигателя 15, преобразователя частоты переменного тока ПЧ и регулировочного резистора R_эд.

Измерение цикловой подачи каждой секцией ТНВД обеспечивают мерные мензурки 8 стенда. Задание и счет количества полных ходов плунжера обеспечивает привод, управляющий работой блокирующей шторки 7 стенда и счетное устройство. После нажатия на кнопку «Замер» микроконтроллер МК стенда подает электрический сигнал на электронный ключ ЭК. Электронный ключ ЭК включает реле Р₂ которое подает напряжение на электрический магнит ЭМ. Электрический магнит ЭМ отводит блокирующую шторку 7 в сторону.

Рис. 9. Структурная схема стенда для испытания и регулировки топливных насосов высокого давления

При этом топливо из форсунок 6 начинает наполнять мерные мензурки 8. Наполнение мензурок будет происходить до тех пор, пока от оптопары 10 на вход микроконтроллера МК не поступит заданное оператором количество импульсов (обычно 100 или 250), по одному за каждый оборот вала ТНВД. На данном стенде измеряют углы подачи каждой секции ТНВД, а также угол опережения впрыска.

При исследовании качества работы цилиндров бензиновых двигателей внутреннего сгорания, используют метод отключения цилиндров. Отключая по очереди каждый из работающих цилиндров и измеряя при этом величину Δ n_e падения скорости вращения коленчатого вала двигателя, можно оценивать качество работы каждого цилиндра:

Δ n_e = n_e - n_e_откл, (6)

где: n_e - скорость вращения коленчатого вала двигателя до отключения цилиндра; n_e_откл- скорость вращения коленчатого вала двигателя после отключения цилиндра.

Чем больше величина падения Δ n_e, тем более качественно работает цилиндр. Тестовое воздействие на работающий бензиновый двигатель в виде последовательного отключения цилиндров реализуют многие приборы и стенды, в том числе и автотестер модели К-484. Внешний вид автотестера модели К-484 представлен на рис. 10.

Рис. 10. Внешний вид автотестера модели К-484 для диагностирования карбюраторных двигателей и их систем.

Структурная схема автотестера модели К-484 для диагностирования карбюраторных двигателей и их систем представлена на рис. 11. Автотестер подключают к системе зажигания двигателя, посредством навешивания индуктивного датчика ИД на высоковольтный провод свечи первого цилиндра, а также подключения провода «Пр» на участок первичной цепи, от катушки зажигания КЗ до коммутатора К. Затем устанавливают работу счетчика в соответствии с числом цилиндров в двигателе, нажав на одну из кнопок «4», «6» или «8». Выбор отключаемого цилиндра производится посредством нажатия на одну из кнопок «1», «2», «3», «4», «5», «6», «7» или «8». Отключение выбранного цилиндра осуществляет тиристор Т. Для этого надо подать электрические импульсы от индуктивного датчика ИД на счетчик, посредством нажатия на кнопку «250 r/min». Счетчик начинает считать импульсы от каждого работающего цилиндра.

Рис. 11 Структурная схема автотестера модели К-484 для диагностирования карбюраторных двигателей и их систем.

В момент начала работы выбранного цилиндра, тиристор Т шунтирует разомкнутый коммутатор К и тем самым оставляет первичную цепь катушки зажигания замкнутой. Искрообразование в выбранном цилиндре не происходит. Скорость n_e вращения коленчатого вала двигателя снижается на величину Δ n_e. Стрелочный прибор автотестера со шкалой «r/min» покажет величину падения скорости Δ n_e.

В исследованиях технического состояния автомобильных двигателей часто применяются пневмотестеры (рис. 12), позволяющие проверять герметичность надпоршневого пространства каждого цилиндра.

Рис. 12. Внешний вид пневмотестера модели К-69 для проверки герметичности надпоршневой полости двигателей.

Герметичность надпоршневого пространства цилиндров проверяется по величине утечек сжатого воздуха, поданного в цилиндр через отверстие от вывернутой свечи или форсунки. Для этого входной штуцер 1 пневмотестера (рис. 13) подключают к сети сжатого воздуха с давлением не менее 0, 4 МПа и открывают кран 2.

Рис. 13. Структурная схема пневмотестера модели К-69 для диагностирования герметичности надпоршневой полости двигателей.

При помощи редуктора 4 и регулировочной иглы 9 пнвмотестер тарируют так, чтобы при герметично закрытом испытательном наконечнике 13 стрелка манометра 11 отклонялась до правого края шкалы, показывая давление 0, 16 МПа или 0% утечки воздуха.

После тарировки выводят поршень контролируемого цилиндра в верхнюю мертвую точку на такте сжатия и в таком положении фиксируют коленчатый вал от поворота. В отверстие свечи (форсунки) вставляют испытательный наконечник и создают тестовое воздействие, подают сжатый воздух в надпоршневую полость двигателя.

По величине падения давления (отклонению стрелки от нулевого положения) оценивают герметичность надпоршневой полости цилиндра. Полость цилиндра считают герметичной, если утечка воздуха не превышает 14%.

Измерение давления

Измерение давления газа и жидкости в агрегатах и системах автомобиля осуществляется, как правило, при помощи измерительных систем, состоящих из первичных преобразователей – датчиков, а также усилителей сигналов датчиков (электронных усилителей).

Первичные преобразователи – датчики преобразующие изменение давления рабочего тела в изменение сопротивления. Датчики давления обычно бывают тензометрического или реохордного типа. Несколько реже встречаются датчики давления емкостного типа. На рис. 21 приведены функциональные схемы датчиков реохордного и тензометрического типа.

Датчик давления реохордного типа (рис. 21, а) состоит из корпуса 1, внутри которого расположена диафрагма 2, соединенная штоком 3 с реохордом 6. Датчик давления реохордного типа работает следующим образом. При подаче на вход датчика рабочего тела, его давление Р_w воздействует на диафрагму 2, посредством чего она прогибается и через шток 3 передвигает подвижный контакт реохорда 6 изменяя его сопротивление. В результате в любой момент времени сопротивление реохорда прямо пропорционально величине давления рабочего тела Р_w.

Датчик давления тензометрического типа (рис. 21, б) состоит из корпуса 1, внутри которого расположена диафрагма 2, соединенная штоком 3 с тензометрической балкой 4. На тензометрической балке 4 наклеены и соединены по мостовой схеме тензометрические датчики 5.

Датчик давления тензометрического типа работает следующим образом. При подаче на вход датчика рабочего тела, его давление Р_w воздействует на диафрагму 2, посредством чего она прогибается и через шток 3 изгибает тензобалку 4 изменяя сопротивление тензометрического моста.

а) б)

Рис. 21. Структурные схемы датчиков давления:

а) – реохордного; б) – тензометрического; 1 – корпус датчика, 2 – диафрагма, 3 – соединительный шток, 4 – тензометрическая балка, 5 – тензометрические датчики, 6 – реохорд

Тензометрический мост запитан от стабилизированного источника тока. В результате в любой момент времени ток разбаланса тензометрического моста прямо пропорционален величине давления рабочего тела Р_w.

В качестве примера рассмотрим устройство промышленных датчиков давления, модели КАРАТ-ДИ–13/16–УХЛ31–0, 5–1МПа–05В–IP54Р с диапазоном измерения давления от 0 до 1, 0 МПа.

Датчик давления КАРАТ-ДИ предназначен для работы в системах измерений, контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Он обеспечивают непрерывное преобразование избыточного давления, а при смещении настройки датчика, преобразование избыточного давления-разрежения жидких и газообразных сред в нормированный выходной сигнал постоянного напряжения. Датчик работает от постоянного тока, напряжением U_п=12÷ 24 В.

Технические характеристики датчика давления КАРАТ-ДИ:

1. Диапазон измерения давления.......................................................0÷ 1, 0 МПа

2. Допустимая перегрузка подавлению ……………………..…………1, 5 МПа

3. Выходной сигнал…………………………………………………..........0÷ 5 В

4. Относительная погрешность ………......................................................0, 5%

5. Напряжение питания ……………………………………………..…… ±12 В

6. Сопротивление нагрузки R_н на выходе датчика …… R_н≤ (U_n-12)/0, 02 [Ом]

7. Климатическое исполнение ……………………………………...… УХЛ3, 1

8. Диапазон рабочих температур окружающей среды ………......(+5 ÷ +50)°С

В корпусе датчика КАРАТ – ДИ встроена схема усиления и преобразователя сигнала, (рис. 22).

Рис. 22. Схема преобразователя сигнала датчика КАРАТ – ДИ

Uп «+», Uп «-» – напряжение внешнего (первичного) питания схемы; Uc, Ic, Fc – сигнал напряжения, токовый и частотный, соответственно; «+Uвп», «-Uвп» – напряжение вторичного питания элементов схемы; Uоп– опорное напряжение; ВИП – вторичный источник питания; ТМ – тензомост; ДУ – дифференциальный инструментальный усилитель; ПНТ и ПНЧ – преобразователи напряжения в ток и частоту, соответственно; ТКН, ТКЧ – цепи термокомпенсации «нуля» и «чувствительности» (диапазона), соответственно; Лин – цепь линеаризации; R_д – резисторкорректор диапазона; R_о – резистор корректор «нуля»; ПД – узел переключения диапазонов; УСН – узел смещения нуля.

Напряжение на выходе датчика КАРАТ-ДИ прямо пропорционально величине давления рабочего тела Р_w на его входе.

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ

Измерение скорости вращения валов, шестерен, колес и других элементов, осуществляется, как правило, при помощи электронных тахометров. Типовая схема электронного тахометра приведена на рис. 26.

Тахометры измеряют скорость вращения n с размерностью [обороты/мин]. Уже первый взгляд на эту размерность позволяет понять, что тахометр должен выполнять два вида измерений одновременно. Во-первых, измерять количество оборотов (вала, шестерни, колеса и т.п.). Во-вторых, измерять время. Для выполнения таких измерений электронный тахометр (рис. 26) содержат электронный секундомер, фотоэлектрический датчик и логическое устройство ЛУ.

С устройством и работой электронного секундомера мы познакомились в предыдущем разделе. Теперь познакомимся с устройством и работой фотоэлектрического датчика. Он состоит из светодиода – излучателя СД, фотодиода – приемника ФД и формирователя электрических импульсов ФС₁. Светодиод СД излучает свет на фоточувствительную поверхность фотодиода приемника ФД. При этом сопротивление фотодиода падает. Если на линии светового потока между светодиодом СД и фотодиодом ФД поместить непрозрачный материал, то сопротивление фотодиода ФД резко возрастет.

Рис. 26. Функциональная схема электронного тахометра

Это свойство фотоэлектрического датчика широко используется в технике и в измерениях. Для измерения скорости вращения между оптопарой – (светодиодом излучателем и фотодиодом приемником), помещают диск 1 с отверстиями, вращающийся на валу 2 (рис. 26). В процессе вращения вала 2 отверстия в диске будут прерывать световой поток между светодиодом СД и фотодиодом ФД. При этом сопротивление фотодиода ФД будет непрерывно изменяться синхронно с частотой вращения вала. Формирователь импульсов ФС₁ реагирует на изменения сопротивления фотодиода, преобразуя каждое из их в стандартные по напряжению и длительности прямоугольные электрические импульсы на своем выходе (см. рис. 27, (а). Чем быстрее вращается диск 2, тем больше частота следования импульсов на выходе формирователя ФС₁.

Теперь познакомимся с работой логического устройства ЛУ (рис. 26). Логическое устройство имеет два входа и один выход. Принцип его работы можно сформулировать как « 2-И». То есть, если и на первый и на второй входы логического устройства ЛУ подано напряжение (условие «2-И» выполняется), то и на его выходе тоже будет напряжение. Если хотя бы на одном из входов ЛУ напряжения нет (условие два «И» не выполняется), то и на его выходе напряжения не будет. Данный принцип работы ЛУ хорошо иллюстрируют графики, представленные на рис. 27.

Рис. 27. Графики электрических импульсов при работе схемы электронного тахометра, (А) – импульсы на выходе формирователя ФС₁ в точке А; (Б) – импульсы периодов времени счета (с выхода делительной декады ДД4); (В) – импульсы на выходе логического устройства (на входе в СчД1); (Г) – импульсы, обнуляющие счетные декады в момент начала нового периода счета

В процессе измерения тахометром скорости вращения вала 2 (рис. 26) на выходе формирователя ФС₁ в точке (А) вырабатываются электрические импульсы с частотой следования отверстий в диске 1. Эти импульсы подаются на первый вход логического устройства ЛУ. Одновременно с этим на второй вход ЛУ в точку (Б) от выхода делительной декады ДД4 поступают импульсы периодов времени счета.

Глядя на рис. 27. не трудно видеть, что условие «2-И» может периодически выполняться только в момент, когда на второй вход ЛУ в точку (Б) в течение 1 секунды подается напряжение 5 вольт. В это же время с выхода формирователя ФС₁ на первый вход ЛУ в точку (А) поступают электрические импульсы, вызванные вращением диска 2. Таким образом, на выходе логического устройства ЛУ в точке (В) формируются прямоугольные электрические импульсы, которые по внешнему виду повторяют импульсы, поступающие от формирователя ФС₁. Они поступают на счетные декады СчД, поэтому этот режим называется «счет».

После периода счета импульсов, в течение следующего периода времени продолжительностью в 1 секунду, напряжение на втором входе ЛУ становится равным нулю. На выходе ЛУ напряжение тоже становится равным нулю, поскольку принцип «2-И» не выполняется. Счет не возможен. На счетных декадах в течение одной секунды отображается результат счета. Этот режим называется «индикация».

После режима «индикация» автоматическое устройство управления сбросом УУС (рис. 26) вырабатывает на своем выходе в точке (Г) короткий электрический импульс, который подается одновременно на входы обнуления всех счетных декад. Счетные декады обнуляются, и начинается новый режим счета. Таким образом, режимы «счет» и «индикация» циклически повторяются.

Чтобы по показаниям электронного тахометра определить скорость вращения вала, шестерни и пр., используют формулу:

(2.18)

где: N – результат счета на дисплеях счетных декад; k – количество отверстий в диске датчика; t – период времени счета.

Например, на дисплеях счетных декад электронного тахометра отобразилось число 2400. В диске датчика 80 отверстий. Период времени счета равен 1 секунде. В этом случае:

об/сек.

Если в окружности диска сделать 60 отверстий, а период времени счета будет равен 1 секунде, то с учетом того, что в 1 минуте 60 секунд, электронный тахометр будут показывать скорость вращения в размерности [об/мин].

Абсолютная погрешность Δ n измерения числа оборотов электронным тахометром вычисляется по следующей формуле:

, [об/мин] (2.19)

где: Δ t_изм – абсолютная погрешность длительности импульса времени (от нестабильности генератора опорных частот); n_х – измеренная скорость вращения; t_изм– длительность импульса времени (в нашем примере он равен 1 секунде).

Относительную погрешность измерения числа оборотов электронным тахометром определим по формуле:

(2.20)

Например, необходимо определить абсолютную и относительную погрешности измерения числа оборотов электронным тахометром, если он показывает величину измеренной скорости вращения n_х = 1000 об/мин, а абсолютная погрешность длительности импульса времени Δ t_изм = 0, 0001 с. Используя формулу (2.19) определим абсолютную погрешность измерения числа оборотов электронным тахометром:

Δ n = ±(0.0001 × 1000 + 1) = ±1, 1 об/мин.

Используя формулу (2.20) определим относительную погрешность измерения числа оборотов электронным тахометром:

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Измерение температуры выполняют несколькими средствами, наиболее распространенными из которых являются термопреобразователи сопротивления и термоэлектрические преобразователи. Их выпускают в разных исполнениях в зависимости от способа контакта с окружающей средой (погружаемые, поверхностные), условий эксплуатации (стационарные, переносные), защищенности от воздействия окружающей среды (обыкновенные, пылезащищенные, водозащищенные, взрывозащищенные), герметичности, инерционности, устойчивости к механическим воздействиям (обыкновенные, виброустойчивые). Они различаются по количеству чувствительных элементов для измерения температуры в одной зоне (одинарные, двойные), числу зон (одно- и многозонные) и выводных проводников (два, три, четыре).

ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Принцип действия термопреобразователей сопротивления основан на использовании свойства чувствительного элемента менять свое сопротивление при изменении температуры. Они могут быть проволочными и полупроводниковыми.

Термопреобразователи сопротивления ПРОВОЛОЧНЫЕ. Материалом проволочных термопреобразователей является, как правило, медь или платина (см. табл.).

В диапазоне температур от - 50 до +180 °С сопротивление меди находится в линейной зависимости от температуры:

R_t = R_o [1 + α (t – t_o)],

где R_t - сопротивление при температуре t, α = 0, 00428 1/°С.

Сопротивление платины:

R_t = R_o [1 + α _п (t – t_o) + β _п (t – t_o)²],

где α _п = 3, 94∙ 10-3 1/°С; β _п = 5, 8∙ 10-7 1/°С.

Конструкции термопреобразователей сопротивления весьма разнообразны. Чувствительный элемент большинства из них представляет собой спираль, намотанную без механических натяжений на каркас из изоляционного материала. Каркас со спиралью помещен в защитный кожух, представляющий собой металлическую или стеклянную гильзу, заполняемую гелием или порошком окиси алюминия.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒