Высотомер электрический

Содержание

1   Введение                                                                                                                 02                                   

2   Техническое задание  на курсовую работу                                                        03

3   Назначение устройства. Краткое описание.                                                    04                                                                                    

     3.1  Назначение устройства………………..……………………………………….…. 04

     3.2  Принцип действия…………………… ………………………………….………... 05

4   Проектировочный расчет                                                                                   06

     4.1  Расчет чувствительного элемента – мембрана...………………………….… 06

     4.2 Подбор чувствительного элемента – плоская пружина………………………14

     4.3  Выбор тензорезистора ……………………..……………….................………….15

     4.4  Дополнительные элементы прибора ………………………….............………..17

     4.5  Расчет различных параметров прибора ………………………….............……18

5   Проверочные расчеты проектируемого прибора                                           19

     5.1  Проектирование модели в программном пакете SolidWorks ……..……….. 19

     5.2  Оценка погрешностей прибора……………………...……………………….….. 24

6   Выводы                                                                                                                   26

7   Список  литературы                                                                                             27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение

Основным прибором на самолете, без которого не может решаться ни одна пилотажная и навигационная задача – это прибор для измерения высоты – высотомер или альтиметр. Наиболее отработанный метод измерения этой величины – барометрический. Барометрический метод измерения высоты полета базируется на зависимости абсолютного давления в атмосфере р от высоты Н.

рис.1 Классификация высот полета по уровню начала отсчета

Высотой полета называется измеренное по вертикали расстояние между летальным аппаратом и  некоторой поверхностью, принятой за начало отсчета. При полетах различают  абсолютную, истинную, относительную  и барометрическую высоты. Абсолютная высота – это высота над уровнем моря, она не зависит от рельефа местности. Истинная высота – это высота летального аппарата над пролетаемой местностью. Относительная высота – это высота относительно места взлета или посадки. Барометрическая высота – это высота относительно места с заданным атмосферным давлением.

Знание высоты летательного аппарата необходимо, прежде всего, для пилотирования, чтобы избежать столкновения с различными объектами. На летательных аппаратах используются высотомеры как визуальные, так и в виде датчиков, дающих электрические сигналы, пропорциональные высоте.

2. Техническое задание на выполнение курсовой работы

В курсовой работе предполагается выполнение следующих расчетов:

• Подобрать или рассчитать мембрану прибора, измеряющего давление для измерения высоты полета самолета. Чувствительный элемент – тензорезистор полупроводниковый. Мембрана преобразует давление в силу механического напряжения в материале тензорезистора и одновременно разделяет среды «атмосфера – вакуум».
• Подобрать и обосновать выбор чувствительного элемента, согласовать его с мембраной. Составить уравнение передаточной функции, построить график (продифференцировать функцию положения).
• Произвести расчет температурного коэффициента разработанного измерительного модуля. Произвести оценку собственной частоты колебаний и влияние внешних силовых воздействий. Оценить необходимость применения демпфера. Габариты и вес должны быть минимальными. Исполнение прибора должно соответствовать классу IP62, размещение УХЛ3.
• На прибор воздействует вибрации амплитудой до 2g с частотой 75Гц.  Напряжение питания – 5В;
• Результат оформить в виде конструкции измерительного модуля и в виде эскиза.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Назначение устройства. Краткое описание.

3.1 Назначение.

Высотомер – пилотажно-навигационный  прибор, указывающий высоту полета. В частности, барометрический высотомер предназначен для определения барометрической высоты или относительной высоты полёта. Применяется во всех летальных аппаратах, для определения истинной высоты полета и возможности. Один из главных приборов для возможности слепого полета.

По ТЗ условие эксплуатации высотомера УХЛ3, что означает, что  прибор имеет исполнения для эксплуатации в макроклиматических районах с умереннохолодным климатом. Температуру, влажность воздуха и категорию размещения регламентирует ГОСТ 15150-69:

• Категория размещения: закрытые помещения с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха и воздействие песка и пыли существенно меньше, чем на открытом воздухе.
• Температура: нижнее рабочее: -10°С, верхнее рабочее: +40°С;

                          нижнее предельное: -10°С, верхнее предельное +45°С;

• Максимальное значение относительной влажности: 75% при 15°С

 

Так же в ТЗ задана степень защиты IP62, расшифруем:

• код IP – обозначает степень защиты от внешних воздействий в соответствии с европейскими стандартами;
• первая цифра обозначает степень защиты от проникновения внутрь посторонних предметов и пыли: «6» - пыленепроницаемо.
• вторая цифра обозначает стойкость к воздействию влаги. Чем больше цифра – тем выше защита: «2» - защищено от вертикально падающих капель воды, когда оболочка отклонена на угол до 15°.

 

 

 

 

 

3.2 Принцип действия.

Принцип действия барометрического высотомера основан на измерении  давления атмосферы. Известно, что с  увеличением высоты уменьшается  и текущее атмосферное давление. Данный принцип положен в основу прибора, который на самом деле измеряет не высоту, а давление воздуха.

Основными узлами высотомера являются чувствительный элемент, передаточно-множительный механизм, индикаторная часть, механизм установки начального давления, герметический корпус.

На рисунке показана кинематическая схема типичного двухстрелочного высотомера.

рис.2 Кинематическая схема двухстрелочного высотомера: 1— барометрическая шкала; 2 — плоская пружина; 3, 12 — биметаллические компенсаторы; 4 — тяга; 5 — противовес; 6 — блок анероидных коробок; 7 — волосок; 8 — большое зубчатое колесо; 9 — кремальера; 10 — полая ось; 11 — трубка; 13 — малое зубчатое колесо; 14 — сектор; 15 — валик; 16 — основание

Анероидные коробки, являющиеся чувствительным элементом высотомера, реагируют на статическое давление на высоте полета, подаваемое в корпус прибора. При изменении высоты полета, коробка деформируется, деформация коробок через укрепленный в  верхнем жестком центре биметаллический  компенсатор первого рода, тягу, биметаллический компенсатор второго рода передается на валик. При повороте валика поворачивается зубчатый сектор, который вращает трубку и большое зубчатое колесо, тепленное с малым зубчатым колесом. На оси колеса укреплена большая стрелка прибора.

Однако в данной работе предложено использовать тензорезистор полупроводниковый. Поэтому прибор будет иметь более современный вид. Приёмной частью будет служить металлическая коробка с гофрированными (для большей подвижности центра) мембранами, внутри которой создано разрежение. В качестве передаточно-множительного механизма будет выступать плоская пружина. При повышении атмосферного давления коробка будет сжиматься и тянуть прикрепленную к ней пружину; при понижении давления коробка будет раздуваться, толкая пружину. В месте наибольшего растяжения – сжатия будут приклеены тензорезисторы, составляя мостовую схему Уитстона, которая осуществит измерение разности напряжений на выходе при помощи АЦП. АЦП, преобразовав сигнал в текущее значение высоты, будет выводить его на экран дисплея.

Функциональная схема проектируемого устройства показана на рисунке 3.

рис.3 Функциональная схема проектируемого устройства.

«1» –  мембранная коробка, преобразующая  давление р в перемещение ω жесткого центра коробки, ω=f₁(p).

«2» – передаточно-множительный механизм, преобразующий перемещение центра мембранной коробки ω в растяжение пружины s, s=f₂(ω).

«3» –  тензорезистор полупроводниковый, преобразующий растяжение пружины в изменение отношений сопротивлений, R₁ / R₂ =f₃(s).

«4» – электрическая схема, которая преобразует отношение сопротивлений в изменение отношения напряжений, U₁ / U₂ =f₄(R₁ / R₂).

«5» – Аналогово-цифровой преобразователь, который преобразует аналоговый сигнал в дискретный код (значение текущей высоты).

 

 

 

 

 

4. Проектировочный расчет.

4.1 Расчет чувствительного элемента – мембрана.

Максимальная высота среднестатистического  самолёта равна 12 км. Давление при такой  высоте равна P=24404 Па, а температура t=-56,5°С. Из этих условий мы будем выбирать мембрану.

В качестве материала для мембранной коробки выберем бериллиевую бронзу БрБ-2.5, которая обеспечит высокие упругие свойства. Бериллиевые бронзы часто используют в авиастроении для изготовления ответственных деталей устройств и машин, подвергающихся совместному воздействию высоких переменных нагрузок и переменных температур. Глубина гофров не должна быть глубокой – это связано с тем, что она вызывает уменьшение прогибов на начальном участке упругой характеристики, и мы не сможем измерить прогиб с определенной точностью. Толщина мембраны подбирается исходя из критического допустимого давления, при котором мембрана не деформируется. Таким образом подберем гофрированную мембрану с синусоидальным профилем и со следующими параметрами:

R=0.025 м – радиус мембраны;

h=0.00014 м – толщина мембраны;

H=0.00075 м – глубина гофра;

l=0.0066 м – длина волны профиля;

рис.4 График минимальной допускаемой толщины материала мембранных коробок.

Необходимое условие допустимой толщины материала выполняется.

Характеристика чувствительного  элемента может быть представлена зависимостью перемещения w чувствительного элемента от измеряемого давления p:

 

В нашем случае в качестве чувствительного элемента задана мембранная коробка. Характеристику гофрированной мембраны синусоидального профиля можно определить по формуле:

 

p – измеряемое давление [Па]

ω – прогиб центра мембраны [м]

R – радиус мембраны [м]

a,b – коэффициенты, зависящие от формы мембраны

E – модуль упругости материала ()

μ – коэффициент Пуассона (μ=0.3)

Рассчитаем коэффициенты:

 для синусоидального  профиля;

 

 

 

 

 Подставляя все известные значения в характеристику, получим:

 

Нуль высоты соответствует нормальному барометрическому  давлению, а именно 760 мм ртутного столба, 1 атмосфера или 101325 Па. Наибольший прогиб мембраны будет в нуле, так как зависимость давления от высоты выражается стандартной барометрической формулой:

 

 

 

рис.5 График зависимости давления от высоты.

 

Наибольший прогиб:      

рис.6 График зависимости p(ω) ω_max=1.34мм при p=101325 Па

Радиус жесткого центра мембраны: .

Рассчитаем коэффициенты , по следующим формулам:

 

 

Относительный радиус жесткого центра

Отсюда по таб.25 стр.292 «Упругие элементы приборов» Л.Е. Андреева, 1962г находим  коэффициенты Откуда найдем относительную эффективную площадь мембраны:

 

 

При максимальном прогибе: 

Чувствительность мембраны:          

 

Относительная чувствительность мембраны:    

Нелинейность η найдем по обобщенному  графику на фиг.158 стр.299 «Упругие элементы приборов» Л.Е. Андреева, 1962г, определяя и , η≈1%

Коэффициент запаса определяется как:

 

При D/h=375 разрушающее давление тогда коэффициент запаса по разрушению равен:

 

рис.7 Эффективная площадь от величины прогиба F(ω) при ω_max=1.34мм F=511.5 мм²

Для расчета мембраны воспользуемся программным пакетом SolidWorks, машиностроительное моделирование,  и исследуем ее с помощью SimulationXpress.

Закрепим нашу мембрану и нагрузим ее давлением в 1 атмосферу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Статическое перемещение мембраны:

Максимальный прогиб:  4.433 мм

 

Статическое узловое напряжение:

Максимальное напряжение: 184 231 000 Н/м²

Запас прочности: 1,5.

В своей работе я использую мембранную коробку, состоящую из двух одинаковых спаянных по краю мембран, так как  у такой анероидной коробки ход  вдвое больше, а так же внутренняя полость соединена с измеряемым давлением (разделение сред).

 

Жесткий центр мембраны:

Материал для жесткого центра мембраны выбираем углеродистую сталь СтО ГОСТ 380-94. Жестких центра у нашей коробки два. В одном из них (жесткий центр А) проделывается отверстие для трубочки, чтобы обеспечить вакуум внутри анероидной коробки, после завершения этой процедуры, трубочку отрезают, а ее конец запаивают или зажимают. Так же для нашей конструкции необходимо сделать выемки для шаровой опоры во обоих жестких центрах. Размеры и радиус жесткого центра определяются размерами мембраны и конструктивными особенностями прибора. Их значения указаны на чертежах (см. приложение к курсовой работе).