Установка контроля температурной нестабильности емкости конденсаторов

Факультет приборостроения и информационной техники

Кафедра метрологии и систем качества

 
 
 

УСТАНОВКА КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ              ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРОВ  

Курсовая  работа

по дисциплине "Методы и средства контроля"

МСК 200501 –06КР08ПЦ1.39

 
 
 
 

Выполнила студентка группы                                     Хвостова Д.В

Руководитель -                                                Б. П. Сибринин

Работа защищена с оценкой

Председатель  комиссии                                            Б. П. Сибринин

Члены комиссии:                                                               

                                                                 

2011

Содержание

Введение

  1. Описание основных характеристик объекта контроля

    1.1Общие сведения

    1.2Коэффициент температурной нестабильности КTHE

    1.3Описание конденсаторов К10-17а

  1. Методы измерения
  2. Выбор метода контроля и разработка структурной схемы.
  3. Расчет погрешности установки и определение требований к установке.
    1. Расчет погрешности установки
    2. Определение требований к компоненту.
  4. Выбор стандартных компонентов
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение  

        Цель данной курсовой работы состоит в разработке установки контроля температурной нестабильности емкости конденсаторов.

       Работа состоит из 5 разделов.

         В первом разделе необходимо  описать объект контроля, общие сведения.

        Во втором разделе нужно описать  метод измерения, разработать  схему структурную и электрическую  для экспериментального определения температурной нестабильности емкости конденсаторов.

          В третьем разделе необходимо рассчитать требования к компонентам установки. Определить требования к погрешности установки, рассчитать метрологические характеристики компонентов.

          В четвертом разделе нужно  выбрать приборы, которые удовлетворяют  определенным условиям.

         В пятом разделе рассчитать контрольные допуски и условную вероятность ошибки первого рода. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Описание  основных характеристик  объекта контроля
 
    1. Общие сведения

   Конденсатор — это элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов (обкладок), разделенных диэлектриком и предназначенный для использования его емкости.

   Конденсаторы являются одним из наиболее массовых элементов электрических цепей. Электрические характеристики, конструкция и область применения зависят от типа диэлектрика между его обкладками. По виду диэлектрика конденсаторы можно разделить на 5 групп:

  1. С газообразным диэлектриком(воздушные, газонаполненные, вакуумные)
  2. С жидким диэлектриком
  3. С твердым неорганическим диэлектриком (керамические, стеклокерамические, стеклоэмалевые, слюдяные)
  4. С твердым органическим диэлектриком (бумажные, металлобумажные)
  5. С оксидным диэлектриком (электролитические, оксидно-полупроводниковые)

    У конденсаторов различают номинальное  с фактическим значения емкости. Номинальная емкость указывается на его маркировке в сопроводительной документации; фактическая – это значение емкости, измеренное при данной температуре и определенной частоте.

    Допускаемое отклонение емкости обычно задается в процентах:

    

              (1.1)

    Керамические конденсаторы. Эти конденсаторы широко применяются в высокочастотных цепях. Основой конструкции керамического конденсатора является заготовка из керамики, на две стороны которой нанесены металлические обкладки. Конструкция может быть секционированной, трубчатой или дисковой. Эти конденсаторы нетрудоемки в изготовлении и дешевы. Для изготовления конденсаторов применяется керамика с различными значениями диэлектрической проницаемости (e>8) и температурного коэффициента, который может быть как положительным, так и отрицательным. Численные значения ТКЕ лежат в пределах от -2200 . 10-6  до +100 . 10-6 1/°C . Применяя параллельное включение конденсаторов с разными знаками ТКЕ можно получить достаточно высокую стабильность результирующей емкости. [1]. 

    1. Коэффициент температурной нестабильности КТНЕ

    Необратимые изменения емкости конденсаторов при воздействии тепла характеризуются остаточным относительным изменением емкости (после возвращения к определенной температуре). Такое изменение называется коэффициентом температурной нестабильности емкости конденсаторов. [2]

    Коэффициент температурной нестабильности емкости  конденсаторов определяется по формуле:

    

        (1.2)

    где С1 – емкость конденсатора, измеренное до испытания Ф(пФ)

          С2 – емкость конденсатора  измеренное во время или после  испытания Ф (пФ) [3]

    Характер  зависимости емкости конденсаторов  от температуры представлен на рисунке 2.

    

    Рисунок 1.1 – Характер зависимости емкости конденсаторов от температуры 

    1. Описание  конденсатора КП10-17а

    Объектом  исследования является керамический конденсатор  КП10-17а представлен на рисунке 1.

     

    Рисунок 1.2 – конденсатор КП 10-17а 

    Предназначен  для работы в электрических цепях  постоянного, переменного токов и в импульсных режимах. Конденсаторы такого типа выпускаются в водоустойчивой и неводоустойчивом исполнениях. КП10-17а- правильной формы, изолированные керамический конденсатор, исполнение – всеклематическое.

    Технические данные:

    Температура окружающей среды                                       от -60 до +125

    Относительная влажность воздуха                                  до 98%

    Допускаемое отклонение емкости                                   

    Тангенс угла потерь                                                          не более 0,0015

    Рабочее напряжение                                                          50 В

    Номинальная емкость                                                        4700 пФ

    Температурный коэффициент емкости                              М1500

    Пределы номинальных емкостей                                        75….10000 пФ

      Сопротивление изоляции вывод-вывод                          не менее 1000 МОМ 
 
 
 

    1. Методы  измерения температурной нестабильности емкости конденсаторов
 

    Все известные методы измерения КТНЕ там или иначе сводятся к определению  изменения емкости. Основные методы измерения емкости приведены  в ГОСТ 28885-90. Опишем наиболее распространенные методы измерения.

    1. Метод амперметра и вольтметра

    Пренебрегая потерями в диэлектрике конденсатора, емкость его можно определить методом амперметра и вольтметра.

    Измерив ток и напряжение и зная частоту  переменного тока, емкость можно  определить по формуле:

    

    (2.1)

    Схема для измерения емкости амперметром  и вольтметром представлена  на рисунке 2.1  
 
 
 
 
 
 
 

    Рисунок 2.1 – Схема для измерения емкости  амперметром и вольтметром.

    При измерении емкости этим методом  напряжение должно быть синусоидальным, т.к в противном случае за счет высших гармоник может произойти значительное искажение кривой тока, что может привести к большим погрешностям измерения. 

    1. Мостовой  метод измерения  емкости конденсаторов

       Метод измерения емкости конденсаторов с помощью мостов переменного тока является наиболее точным.

    При измерении емкости конденсаторов  с твердым диэлектриком необходимо помнить, что кроме тока смещения в диэлектрике имеет место  ток проводимости и потери мощности на диэлектрический гистерезис. Поэтому  реальный конденсатор представляют эквивалентной схемой в виде идеального конденсатора (без потерь) емкостью С, соединенной последовательно или параллельно с активным сопротивлением, отображающим потери. 

    Измеряемым  параметром, отображающим потери мощности в конденсаторе, является тангенс угла потерь.

    Для измерения  (емкости) преимущественно используют мосты переменного тока, плечами которого являются комплексные сопротивления.

    Мостовые  схемы для измерения параметров конденсаторов с последовательной и параллельной эквивалентными схемами показаны на рисунке 2.2:  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    В качестве нуль индикаторов используют электронные устройства высокой  чувствительности.

    Питание мостов осуществляется переменным напряжением частотой 50 Гц 

    Равновесие  моста имеет место при отсутствии тока в измерительной диагонали, т.е при:

    

           (2.2)

    Представив  комплексы полных сопротивлений  плеч моста в виде:

    

           (2.3)

    где i=1,2,3,4.

    Подставив (2.3) в (2.2), получим условие равновесия для моста переменного тока:

    

  (2.4)

    которое выполняется при:

    

                    (2.5)

    Если  комплексные сопротивления выразить модуль и фазовый угол:

    

                                   (2.6)

    То  есть в момент равновесия моста должны быть равны произведения модулей  сопротивлений противоположных  плеч и сумма фазовых углов  тех же плеч.

    Уравновешивание моста переменного тока требует  наличие в его схеме не менее двух регулирующих элементов.

      Так как фазовый угол плеча  с индуктивностью положителен,  а фазовый угол плеча с емкостью  отрицателен то равновесие мостов  с двумя активными сопротивлениями  возможно при следующих условиях:

  1. Если оба реактивных плеча имеют емкостной или индуктивный характер, то реактивные плечи должны быть соседними;
  2. Если одно плечо имеет индуктивный, а второе емкостной характер, то плечи должны быть противоположными.
 

    Диапазон  измерения емкости – 1 пФ…100 мкФ

    Диапазон  измерения тангенса угла потерь – 0,0001…1

    Класс точности – 0,02; 0,05

    1. Резонансный метод измерения емкости

    Для измерения малых по значению емкостей применяют резонансный метод  измерений.

    В простейшем случае резонансный прибор состоит из генератора ГВЧ высокой  частоты измерительного колебательного контура LC и индикатора резонанса – электронного вольтметра.

    Схема резонансного прибора приведена на рисунке 2.3 
 
 
 
 
 
 
 

    Рисунок 2.3 – Схема резонансного прибора прибора

    Катушка индуктивности включена параллельно  конденсатору с известной емкостью.

    При резонансе частота колебательного контура, емкость и индуктивность  связаны следующим образом:

    

    Для измерения емкости  контур, состоящий из катушки с известной индуктивностью и конденсатора с известной емкостью настраивают в резонансе на частоту .

    Схема резонансного прибора для измерения  емкости (при  ) приведена на рисунке 2.4 

            
 
 
 
 
 
 

    Рисунок  2.4 Схема резонансного прибора для  измерения емкости

    Затем параллельно конденсатору подключают конденсатор и изменение емкости конденсатора добиваются резонанса при той же частоте .

    Соответствующее значение емкости будет равно  .          Следовательно: , откуда

    

    Если  , то выполняют те же операции, но только при последовательном соединении и . При этом искомая емкость:

    

,

    где .

    Резонансный метод применяется на высоких частотах , так как на высоких частотах резонанс носит более резко выраженный характер, чем на низких.

    Диапазон  измерений:

    -при  измерении емкостей от пФ до 5000пФ;

    -при  измерении индуктивностей от  долей мГн до 100 мГн. 
 
 
 

    1. Выбор метода контроля и  разработка структурной  схемы

   Для контроля температурной нестабильности емкости конденсатора выбираем мостовой метод измерения. Цифровой мост измеряет неизвестную емкость путем сравнения ее со стандартной. Процесс измерения полностью автоматизирован, включая подбор поддиапазонов. Отображение результатов измерения осуществляется на жидкокристаллическом индикаторе блока управления. Управление процессом измерения может также осуществятся с помощью персонального компьютера. Данный метод выбираем из-за простоты выбора оборудования и составления схемы. Для выбранного метода контроля разработана схема изображенная на рисунке 3.1

   

     

                                                                                     

     Эвм                                                                        к ОК        
 

    Рисунок 3.1 Структурная схема измерения  емкости

    1-цифровой  мост переменного тока;

    КТХ -  камера тепла и холода.

    Коэффициент температурной нестабильности определяют по формуле:

    

                    (3.1)

     воздействия температуры.

    Относительная погрешность измерения температурной  нестабильности (КТНЕ) рассчитывается по формуле:

    

                            (3.2)

     - погрешность измерения емкости  с учетом погрешности(точности) задания  температуры.

  

    

    Следовательно, относительная погрешность измерения  температурной нестабильности емкости конденсаторов  примет вид:

    

    Выбираем  значение емкостей.

     .

     - емкость измеренная до термического  воздействия 

    Значение  емкости  получим выразив из уравнения (3.1)

    

    

               (3.3)

    Подставив в формулу (3.3)  допускаемое значение получим:

    

    Таким образом значение .

    Выберем значение .

    1. Расчет погрешности установки и определение требований к компонентам установки.

4.1 Расчет погрешности установки

В данном курсовом проекте рассматривается  контроль с двухсторонним допуском.  Законы распределения контролируемых параметров принимаются нормальными, а закон распределения погрешности установки контроля – равномерным.

 
 

Рисунок 4.1 – Распределение контролируемого параметра 

   Прежде чем предъявить требования  к компонентам установки необходимо  предварительно определить предельную  допускаемую погрешность установки. 

   При этом суммарная погрешность  всех компонентов не должна превышать допустимой погрешности.

Абсолютную  допускаемую погрешность определим  по следующей формуле:

где Рош - вероятность ошибки 1-го рода, т.е. вероятность того, что годное изделие будет забраковано;

f(х1),f(х2) - допускаемые значения.

Относительная погрешность составит:

 

4.2 Определение требований к компонентам установки

    Объектом  исследования является конденсатор К10-17а  с характеристиками:

    

    Для расчета необходимо max значение емкости, какое получается при max значении КТНЕ конденсатора.

     .

Относительная погрешность измерения определяется по формуле:

По методу равных влияний принимаем:

Т.к  и -погрешности измерения емкости с учетом погрешности задания температуры, то эти погрешности будут состоять из двух слагаемых:

 
 
 
 

Пользуясь характером зависимости емкости конденсаторов от температуры представленной на рисунке 1.1 получим:

Для емкости  :

С такой  точностью нужно установить

Для емкости

Камеру  тепла и холода выбираем с точностью   

     Ко  всем используемым техническим средствам  принимаем требование:

  • Приборы должны иметь выход цифрового вида и по необходимости наличие управляющей ЭВМ.
  • Выбранные СИ должны иметь один предел измерения.

    Относительная погрешность установки должна составлять не более 11,4%. 

    1. Выбор стандартных компонентов
 

  В соответствии с указанными требованиями к компонентам установки в  предыдущем пункте выбираем следующие  средства измерений:

  -Цифровой  мост переменного тока СА7100-2;

  -Камера  тепла и холода КТХ-0,4-65/155. 

  
    1. Цифровой  мост переменного  тока СА7100-2
 

  Основное назначение моста СА7100-измерение тангенса потерь и емкости.

  Область применения:

  1. Измерение тангенса угла потерь и емкости;
  2. Измерение параметров силовых конденсаторов;
  3. Измерение напряжения.

  Технические характеристики:

  Измеряемые  величины: емкость, тангенс угла потерь, напряжение, частота.

  Параметры встроенного эталонного конденсатора:

       емкость – 50…200 пФ.

       напряжение – 10 кВ.

  Емкость внешнего эталонного конденсатора – 10…10000 пФ.

  Сила  тока через эталонный конденсатор  – от 10 мкА до 10мА.

  Сила  тока через объект измерения – от 0 до 0,5 А.

  Диапазон  частот рабочего напряжения – от 48,7 до 61,2 Гц.

  Диапазон  измерений емкости (4 поддиапазона) – от 0 до 1000.

     где  - емкость эталонного конденсатора.

  Диапазон  измерений тангенса угла потерь – 0…1.

  Пределы допускаемой относительной погрешности  при измерении:

     емкости -

     при использовании внешнего эталонного  конденсатора - .

     тангенса угла потерь - ±(1 × 10-4 + 0,01 × tgδ).

     рабочего напряжения - .

     частоты - ±0,1 Гц.

  Архивирование результатов измерений, записей – 1000.

  Предел дополнительной погрешности при измерении сопротивления при воздействии на измерительный вход моста "Сх, Rх" синусоидального тока промышленной частоты с действующим значением до 0,5 мА, - ±0,2 %. 

  Эксплуатационные характеристики:

  -   Мост состоит из Блока управления, устанавливаемого на рабочем месте оператора, и Блока измерительного, который размещается в высоковольтной зоне. Связь БУ с БИ осуществляется с помощью волоконно-оптического кабеля. Это обеспечивает полную электробезопасность персонала.

  - Процесс измерения полностью автоматизирован, включая выбор поддиапазонов. Отображение результатов измерения осуществляется на жидкокристаллическом индикаторе БУ (2 строки по 16 знакомест). Управление процессом измерения может также осуществляться с помощью персонального компьютера.