Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Установка контроля изменения емкости конденсаторов в диапазоне рабочих температур

по дисциплине "Методы и средства контроля качества"

2011

Содержание

Введение

1. Общие сведения

1.1 Описание конденсатора типа К10У-5

2. Методы измерение емкости конденсаторов

3. Выбор метода контроля и разработка структурной схемы

4. Определение требований к компонентам установки

4.1 Расчет погрешности установки

4.2 Определение требований к компонентам установки

4.3 Выбор Си и вспомогательного оборудования

5. Расчет контрольных допусков и условной вероятности ошибки первого рода

Заключение

Список литературы

Введение

Цель данного курсового проекта - разработка и исследование установка контроля изменения емкости конденсаторов в диапазоне рабочих температур. Показателем для определения изменения емкости является величина емкости конденсатора. Контролируемый параметр - изменение емкости конденсаторов.

В задании на проектирование были указаны: назначение установки (краткая характеристика объекта контроля); контролируемые параметры, их номинальные значения, законы распределения и числовые характеристики; нормативные допуски; показатели достоверности контроля; условия контроля. В данном задании закон распределения контролируемого параметра считается нормальным, закон распределения погрешности установки принят равномерным.

В процессе выполнения курсового проекта необходимо выполнить следующие работы: выбрать метод контроля, разработать структурную схему установки, рассчитать погрешность установки, определить требования к компонентам установки, выбрать средства измерений, рассчитать контрольные допуски, рассчитать условные вероятности ошибок первого рода.

1. Общие сведения

Керамические конденсаторы. Диэлектриком керамических конденсаторов являются пластины, диски или трубки из керамики. Свойства керамики позволяют использовать керамические конденсаторы для работы в радиочастотных цепях в качестве контурных, разделительных и блокировочных, а также для работы в цепях звуковой частоты. Керамические конденсаторы в зависимости от их свойства и назначения подразделяются на высокочастотные (тип I) и низкочастотные (тип II). Конденсаторы типа I обладают высокой стабильностью параметров в процессе эксплуатации и при хранении. По степени температурной стабильности емкости эти конденсаторы разделяют на три подгруппы, определяющие их назначение: 1) подгруппа высокой стабильности: П100, ПЗЗ, МПО, МЗЗ, М47, М75; 2) подгруппа контурных термокомпенсирующих конденсаторов: Ml50, М220, М330, М470, М750; 3) подгруппа конденсаторов, имеющих повышенную емкость, которая значительно зависит от температуры: М1500, М2200. Конденсаторы типа II по сравнению с конденсаторами типа I имеют гораздо большие номинальные емкости, однако обладают существенными потерями энергии и меньшим сопротивлением изоляции. Для конденсаторов типа II характерна нелинейная зависимость емкости от температуры. Например, у конденсаторов групп по ТКЕ от Н20 до Н90 допускаемые изменения емкости в интервале рабочих температур составляют от 20 до 90%. Наиболее широко применяются в БРЭА керамические конденсаторы типов КД, КТ, КЛС, КМ, К10У-5, К10?7В, К10?17, КВИ, К15?13 и др.

В зависимости от назначения и конструктивною исполнения выпускают конденсаторы: постоянной емкости, полупеременные (подстроечные), переменной емкости.

Важнейшие характеристики, конструкция и область применения конденсаторов в основном определяются диэлектриком, разделяющим его обкладки. Эта особенность учитывается при классификации конденсаторов.

Классификация конденсаторов. Система классификации и обозначения конденсаторов состоит из четырех элементов. Первым элементом является одна или две буквы (К -- конденсатор постоянной емкости, КП -- конденсатор переменной емкости, КТ -- конденсатор подстроеный); вторым -- последующие цифры, указывающие на тип диэлектрика в конденсаторе и группу по рабочему напряжению. Например, число 10 обозначает, что конденсатор керамический, предназначен для работы при напряжениях до 1600 В; 22 -- стеклокерамический, 23 -- стеклоэмалевый, 40 -- бумажный, на напряжение до 1600 В с фольговыми обкладками. Третьим элементом является буква, указывающая назначение конденсатора в каждой данной группе: Ч -- для работы в цепях переменного тока (для конденсаторов бумажных); У -- для работы в цепях постоянного и переменного тока в импульсных режимах (для бумажных конденсаторов с металлизированными обкладками) и т. д. В качестве четвертого элемента используют цифры, обозначающие разновидность конденсаторов каждого типа. Иногда третий или четвертый элемент опускается в обозначении конденсатора. Пример обозначения: К22У-1 -- конденсатор постоянной емкости со стеклокерамичёским диэлектриком, может быть использован в цепях постоянного и переменного тока, импульсных режимах. Параметры конденсаторов. Основными параметрами конденсаторов являются: номинальная емкость, допустимое отклонение от номинальной емкости, номинальное напряжение, температурный коэффициент емкости (ТКЕ), тангенс угла потерь, сопротивление изоляции между выводами или ток утечки.

Важнейший параметр конденсатора - ёмкость С. Она зависит от площади его пластин, расстояния между ними и применяемого диэлектрика.

Основная единица ёмкости - фарад (Ф). Используются также более мелкие единицы ёмкости.

1мкФ = Ф (микрофарада)

1нФ = Ф (нанофарада)

1пФ = Ф (пикофарада)

1мкФ = 10-6Ф = 106пФ;

1нФ = 103пФ.

Емкость конденсатора зависит от ряда факторов: температуры окружающей среды, времени хранения и др. Номинальная емкость конденсатора указывается при его маркировке и может отличаться от фактически измеренной. Допустимое отклонение от значения номинальной емкости выражается в процентах. Конденсаторы с небольшим допускаемым отклонением емкости от номинального значения применяются в каскадах высокой частоты, где требуется повышенная точность настройки контуров и межконтурных и межкаскадных связей. Конденсаторы с большим допускаемым отклонением применяются в блокировочных и развязывающих цепях.

Температурным коэффициентом емкости конденсатора оценивается относительное изменение емкости конденсатора при изменении его температуры на 1°С. В зависимости от типа конденсатора ТКЕ может быть положительным или отрицательным, т. е. емкость конденсатора при изменении температуры увеличивается или уменьшается. Тангенс угла потерь характеризует диэлектрические потери в конденсаторе при прохождении через него переменного тока.

1.1 Описание конденсатора типа К10У-5

Маркировка конденсаторов. На конденсаторах достаточно больших габаритных размеров указывают тип, номинальное напряжение, номинальную емкость, допустимое отклонение в процентах от номинального значения емкости и температурный коэффициент емкости. На некоторых конденсаторах указывается ТКЕ путем окраски конденсатора в определенный цвет или цветными метками.



Рисунок 1 - Конденсатор К10У-5

Это разновидность керамических конденсаторов на полупроводниковой основе, которая имеет принципиальное отличие от всех других, ранее известных керамических конденсаторов, заключающееся в том, что они обладают большей удельной емкостью, близкой к электролитическим конденсаторам.

Конденсаторы представляют собой керамический диск из сегнетокерамического материала, который восстановлен в водороде до высокой электропроводности. После восстановления диск окисляется в воздушной среде и на его поверхности образуется тонкий диэлектрический слой исходного материала. На поверхность окисленной заготовки наносится серебряный электрод, к которому крепятся медные посеребренные выводы. Затем конденсатор покрывается компаундом. Для них характерна простая технология изготовления, применение дешевого, не дефицитного сырья, что обеспечивает их низкую стоимость. Однако область их применения сравнительно узка. Конденсаторы могут использоваться только в цепях, где сопротивление изоляции и тангенс угла потерь не играют существенной роли. Предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

Такие конденсаторы предназначены для работы в интервале температур от -60 до +85°С в цепях постоянного, переменного и импульсного токов.

Характеристики конденсатора К10У-5

Емкость конденсатора является одной из важнейших его характеристик и характеризует отношение заряда, накопленного в конденсаторе к величине напряжения, приложенного к обкладкам.

Ф .

Если диэлектрик, разделяющий обкладки, имеет форму пластинки или плоского диска (слюда, керамика и др.), то применяется плоский тип конденсатора, емкость которого находится:

,пФ

где d - толщина диэлектрика, см;

S - активная площадь обкладок, см2;

е - диэлектрическая проницаемость.

Расчет любого конденсатора сводится к нахождению оптимальных размеров, которые бы обеспечивали получение заданных (требуемых) значений электрических характеристик конденсатора, надежность его работы, минимальные затраты на его производство. Обычно при расчете конденсаторов исходят из технического задания, которым определяется назначение конденсатора, условия его работы (верхний предел рабочей температуры, влажность окружающей среды), емкость, ее точность, мощность, величина номинального напряжения, тип диэлектрика и др.

Если известен тип диэлектрика, то в большинстве случаев это определяет и тип конструкции конденсатора (тип секции - плоская, цилиндрическая или спирально - намотанная). В техническом задании в этом случае должны быть указаны номинальная емкость - Сном, рабочее напряжение - Uраб, рабочая частота - fраб.

Для конденсаторов, предназначенных для работы на постоянном (выпрямленном) напряжении, необходимо знать частоту и амплитуду переменной составляющей, которая будет вызывать заметный нагрев изоляции и может привести к ионизационным процессам.

При работе конденсаторов в цепях переменного тока необходимо также знать частоту и амплитудное значение высших гармоник, которые наиболее резко выражены в кривой напряжения. Наличие высших гармоник опасно вследствие увеличения потерь и дополнительного нагрева изоляции.

При работе конденсаторов на импульсном напряжении необходимо знать форму импульсов, их полярность и частоту следования.

Основным моментом при расчете конденсатора является правильный выбор толщины диэлектриков, т. к. от нее зависят габаритные размеры конденсатора и его надежность. Как правило, при выборе толщины диэлектрика приходится идти на компромиссные условия, т.к. повышение надежности требует увеличения толщины, а обеспечение экономичности, наоборот, уменьшение толщины.

Для конденсаторов постоянного тока или низкой частоты толщина диэлектрика устанавливается на основе расчета электрической прочности изоляции конденсатора. Для высокочастотных конденсаторов толщина диэлектрика определяется из теплового расчета и проверяется потом из условия электрической прочности. При выборе толщины диэлектрика необходимо также ориентироваться на минимальные значения толщины соответствующих материалов (бумага, синтетические пленки, и др.), установленных ГОСТом или ТУ.

После определения толщины диэлектрика выбирается конструкция конденсаторной секции. В соответствии с ее конструкцией выбирается расчетная формула, связывающая значения емкости, толщины диэлектрика и размеры обкладок. При установлении размеров конденсаторной секции приходиться дополнительно выбирать размеры закраин, исходя из условий перекрытия и основываясь на технологических соображениях. После установления размеров конденсаторной секций (пакета секций) определяются размеры конденсатора исходя из расчета изоляции от корпуса, теплового расчета и конструктивного оформления.

2. Методы измерение емкости конденсаторов

Существуют различные методы измерения емкости: метод амперметра-вольтметра, мостовой метод, метод баллистического гальванометра, по времени разряда конденсатора через резистор известного сопротивления, резонансный метод и др. Рассмотрим их более подробно.

Одним из наиболее простых является метод амперметра-вольтметра. Он основан на измерении емкостного сопротивления конденсатора, которое обратно пропорционально емкости и частоте электрического тока:

Следовательно, для измерения емкости этим методом необходимо знать частоту напряжения, подаваемого от источника питания.

Как и в случае измерения активного сопротивления в зависимости от величины емкостного сопротивления может быть использована одна из схем подключения приборов (рис. 2а, 2б). При больших емкостях, то есть малых емкостных сопротивлениях, меньше погрешность измерения при использовании схемы 2а; при измерении малых емкостей, то есть больших емкостных сопротивлений, лучше пользоваться схемой 2б.

Рассмотрим, какая минимальная емкость может быть измерена этим методом при использовании напряжения частотой 50 Гц. Пусть, например, имеется измерительный прибор, позволяющий измерить с достаточной точностью ток величиной 0,1 мА, а напряжение, приложенное к конденсатору - 30 В. Тогда минимальная измеряемая емкость 0,01 мкФ. Если требуется измерить меньшую емкость, необходимо использовать переменное напряжение более высокой частоты. Так, при частоте 5 кГц и тех же значениях тока и напряжения минимальная измеряемая емкость составляет 100пФ.

Одной из разновидностей метода вольтметра-амперметра является метод двух вольтметров, используемый для измерения малых емкостей (рис. 3.12в). Вольтметром V1 измеряется напряжение питания, а вольтметром V2 - напряжение на конденсаторе известной емкости C0:

Сила тока I в неразветвленной цепи равна:

Емкость конденсатора С0 должна быть значительной (сопротивление его мало), чтобы вольтметр V2 вносил незначительные изменения в электрическую цепь. При C0 >> Cx выражение для расчета емкости можно упростить:

Мостовой метод аналогичен соответствующему методу измерения активного сопротивления. Схема четырехплечного моста переменного тока приведена на рисунке 3. В качестве указателя равновесия (индикатора нуля И) могут использоваться осциллографы, вибрационные гальванометры и др.

Условие равновесия моста в этом случае записывается в комплексной

форме: Zx Z2 = Z Z1 , где сопротивления плеч Zi в общем случае представляют собой комплексные сопротивления вида Zi = Ri + j Xi.

Если в двух смежных плечах включены активные сопротивления, то в двух других смежных плечах должны быть обязательно сопротивления одного характера - индуктивности, или емкости (рис. 4). Если активные сопротивления включены в противоположные плечи, то в два других противоположных плеча необходимо включить разные по характеру сопротивления: в одно плечо - индуктивность, в другое - емкость.

На рисунке 4 приведена мостовая схема для измерения емкости с использованием параллельной схемы замещения реального конденсатора. В качестве эталонного конденсатора C1 обычно используется воздушный конденсатор с малыми потерями. В этом случае условие равновесия моста (1) запишется в виде:

Разделив вещественную и мнимую части (напомним, если равны два выражения, то можно приравнять их вещественные и мнимые части), получим выражения для емкости конденсатора и его активного сопротивления:

Сх=R2C1/R,

Rx=RR1/R2.

Тангенс угла потерь определяется выражением:

Уравновешивание моста производят поочередным изменением сопротивления R1 и емкости C1. Для расширения пределов измерения изменяют отношение R/R2.

3. Выбор метода контроля и разработка структурной схемы

При измерении Cx следует учитывать влияние температуры, приложенного напряжения и его частоты.

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 катушек индуктивности важным параметром помимо самой индуктивности является добротность. конденсатор погрешность контрольный допуск

,

где щL - реактивное сопротивление катушки, а R - активное.

Для измерения C преимущественно используют мосты переменного тока (рисунок 5), плечами которого являются комплексные сопротивления. Питание мостов осуществляется переменным напряжением частотой 50 Гц, а при измерении малых по значению индуктивностей и емкостей - частотой 1000 Гц. В качестве нуль-индикаторов используют электронные устройства высокой чувствительности.

При равновесии моста переменного тока:

и

Поделив первое выражение на второе, получим условие равновесия моста

или .

При этом если комплексные сопротивления выразить через активную и реактивную составляющие, то, приравняв отдельно действительные мнимые части, получим два уравнения:

(Rx+jXx)(R4+jX4)= (R2+jX2)(R3+jX3),

Физический смысл возникновения двух условий равновесия можно уяснить, если комплексные сопротивления выразить через модуль и фазовый угол:

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

Уравновешивание моста переменного тока требует наличия в его схеме не менее двух регулируемых элементов. Для удобства регулирования мосты строят таким образом, чтобы регулировочными элементами являлись активные сопротивления. Так как фазовый угол плеча с индуктивностью положителен, а фазовый угол плеча ветви с емкостью отрицателен, то равновесие мостов с двумя активными сопротивлениями возможно при следующих условиях: если оба реактивных плеча имеют емкостной или индуктивный характер, то реактивные плечи должны быть соседними, если же одно плечо имеет индуктивный характер, а второе - емкостной, то эти плечи должны быть противоположными.

Мосты переменного тока подразделяются на классы точности 0,1; 0,2; 0,5; 1,0 и 2,0.

4. Определение требований к компонентам установки

4.1 Расчет погрешности установки

В данном курсовом проекте рассматривается контроль с двусторонним допуском (т.е. вся область значений контролируемого параметра делится на три зоны: зону годных изделий и две зон брака), причем закон распределения контролируемого параметра считается нормальным:

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.

Т.к контроль с двусторонним допуском, то абсолютную допускаемую погрешность определим по следующей формуле:

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

- допускаемое значение изменение емкости.

Относительная погрешность составит:



4.2 Определение требований к компонентам установки

По ГОСТ 2885-90 метод 506-2, определяем относительное значение емкости

С4=0,0033 мкФ

С1=0,00297 мкФ

С4=0,0033 мкФ



Требования к точности измерения емкости

4.3 Выбор Си и вспомогательного оборудования

Погрешность приборов не должна превышать предельного допускаемого значения указанного в п.4. Рабочие условия должны соответствовать группе 2 по ГОСТ 22261-94, которые приведены в таблице 1.

Влияющая величина	Нормальное значение	Рабочие условия применения
Температура окружающего воздуха, 0С нижнее значение верхнее значение	20	10 35
Относительная влажность воздуха, %	30-80	80 при 250С
Атмосферное давление, кПа (мм рт.ст)	84-106 (630-795)	84-106,7 (630-800)

Измеритель емкости - Цифровой мост переменного тока СА 7100-3

Основное назначение моста - измерение емкости и тангенса угла потерь. СА 7100-3 состоит из блока управления и блока измерительного.

Технические данные.

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

Емкость и рабочее напряжение встроенного эталонного конденсатора: 50..200 пФ, 10кВ.

емкость внешнего эталонного конденсатора:

от 10 пФ до 10000 пФ.

Диапазоны измерений емкости:

от 0 до Со Ч1000 (4 поддиапазона)

Со - емкость эталонного конденсатора.

Пределы допускаемой относительной погрешности при измерении:

±5Ч10-2%

Для задания температуры конденсатора К10У-5 с диапазоном температур (-20+85), выбираем камеру тепла и холода с заданной точностью поддержания температур.

КТХ - 0,4 - 65 / 155

Рабочий объём 0, 4 м3

Тmax=1550C

Точность поддержания температуры ?Т=±10C

Рассчитаем погрешность для температур:

5. Расчет контрольных допусков и условной вероятности ошибки первого рода

Погрешность измерения емкости определяется по следующей формуле:

Верхний предел хдоп = 20%, абсолютная погрешность в таком случае составит:

Получают значение контрольного допуска:

хк1=хн + ? = 21,26%

хк2=хн - ? = 18,74 %

Графики исходной плотности вероятности f(x), условной плотности вероятности бракованных изделий fб(х) и функция распределения Fe (x) представлены на рисунке

Функции, по которым построены графики, выглядят следующим образом:

fб(х)=f(x) Fe (x)

Точки по которым построены графики представлены в таблице 2.

Таблица 2

х	х1к	х1к+	х1к+	х1к+	х1к+
х	21,26	21,575	21,89	22,205	22,52
f(x)	0,37654	0,40265	0,43100	0,46175	0,49523
Fx1k(x)	0,5	0,625	0,75	0.875	1
1-Fx1k(x)	0,5	0,375	0,250	0,125	0
fб(x)	0,18827	0,15099	0,10775	0,0577	0

S1=(0,18827+0,15099/2)*0,315=0,05343

S2=(0,15099+0,10775/2)*0,315=0,04075

S3=(0,10775+0,0577/2)*0,315=0,026058

S4=0,0577*0,315*0,5=0,00909

Ргб1=0,129328

Ргб2=0,129328Ч2=0,258656

Заключение

В результате выполнения курсового проекта был выбран метод контроля изменения емкости конденсаторов в диапазоне рабочих температур Разработана структурная схема установки (приложение Б). Рассчитана погрешность установки и определены требования к ее компонентам, в результате чего были выбраны соответствующие приборы. Рассчитаны контрольные допуски и условные вероятности ошибок первого рода.

В заключение рассчитана условная вероятность ошибки первого рода, которая превышает заданную:

PГБ = 0,258656 > PГБзад = 0,005.

Вероятность ошибки первого рода можно уменьшить, исключив дополнительную погрешность измерения из-за отклонения температуры путем проведения измерения в нормальных условиях.

Список литературы

1. Сибринин Б.П. Косвенные измерения Методическое указание к выполнению лабораторных работ - Пенза: Издательство Пензенского политехнического института, 1995.

2. Сибринин Б.П. Методы и средства контроля качества. Методические указания к выполнению курсового проекта - Пенза: Издательство Пензенского политехнического института, 1996.

3. Справочник по электрическим конденсаторам. /Под ред. И.И. Четверткова, В.Ф. Смирнова. - М.: Радио и связь, 1983.

4. ГОСТ 28885 - 90 Конденсаторы. Методы измерений и испытаний

Размещено на Allbest.ru

...