Высотомер электрический

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Подбор и обоснование чувствительного элемента – плоская пружина.

Для того чтобы измерить деформацию мембранной коробки наиболее точным образом, необходимо подобрать еще  один чувствительный элемент. Часто  в современных приборах  используется плоская пружина, и вполне понятно почему. Их широко применяют во многих отраслях машиностроения, при изготовлении им всегда можно придать любую форму, которая наиболее удобна для размещения пружины в корпусе прибора. При этом она занимает мало места. Плоские пружины могут быть очень жесткими или очень податливыми в зависимости от форм и размеров. С их помощью можно осуществить простые и надежные передаточно-множительные механизмы.

В качестве материала для нашей  пружины возьмем так же бериллиевую бронзу БрБ-2.5, которая обеспечит высокие упругие свойства. Размеры пружины определяют исходя из размеров мембраны и приложенной нагрузки. С помощью программного пакета Solidworks и предложенных рекомендаций, полученных из учебника  стр.28-101 «Упругие элементы приборов» Л.Е. Андреева, 1962г выбраны наиболее оптимальные размеры плоской пружины: смотри приложение к курсовой работе чертеж РЛ50400201. 

Закрепляется пружина с двух сторон по разному, с одного конца она крепиться на шаровую опору, чтобы не терять своих упругих свойств. Однако для наиболее точного измерения ее деформации, необходимо жестко закрепить ее  второй конец. Чтобы избежать перекашивания пружины, а вследствие большой погрешности измерения, необходимо уравнять расстояние от центра анероидной коробки до ее закрепления. Напомним, что размеры жёстких центров анероида были выбраны неодинаково, исходя из конструктивных особенностей и задач жесткого центра А. Для этого нам поможет заделка прямоугольной формы, подходящих размеров. Она не только уравняет расстояния, но и поможет наиболее жестко закрепить второй конец пружины. Для ее наилучшего крепления выбраны винты М3 с потайной головкой с крестообразным шлицом по ГОСТ.

Таким образом, на данном этапе проектирования прибора подобраны и согласованы главные детали прибора.

 

 

 

 

 

4.3 Выбор тензорезистора.

Тензорезисторы могут измерить и преобразовать разнообразные физические величины в электрические сигналы. Поэтому они нашли широкое применение в датчиках силы, давления, перемещения, ускорения или вращающего момента.

Основой тензорезистора служит чувствительный элемент, металлический или полупроводниковый, сопротивление которого изменяется пропорционально напряжению на поверхности измеряемого объекта. Упомянутый элемент выполнен в виде решетки из константанового сплава и размещен на подложке из полиамида. Сверху решетка покрывается защитной пленкой. На рис.7 представлена классическая структура тензорезистора. Для аппликации, как правило, применяется клей.

рис.8 Структура тензорезистора 

Выбор тензорезистора происходит в 7 основных этапов:

1. Тип чувствительного элемента: в зависимости от величины деформации, для нашего случая подходит фольговый.
2. Материал подложки: наиболее используется полиамид.
3. Длина чувствительного элемента: для измерений металлических материалов наиболее подходят тензорезисторы с базой от 1 – 6 мм.
4. Конфигурация:  одиночная (измерения вдоль одной оси).
5. Сопротивление:  наиболее часто используется 120 Ом.
6. Коэффициент линейного расширения материалов, для которых KYOWA выпускает тензорезисторы с различной температурной самокомпенсацией (ТСК): для бериллевой бронзы(16,7) ТСК=16.
7. Другие параметры: рабочий температурный диапазон, способ аппликации, выводы тензорезисторов (обычно выбирают параллельный виниловый кабель)

Ориентируясь на все  рекомендации, выберем тензорезистор фольговый константановый серии 2ФКП-5-200.

Параметры тензорезистора:

Диапазон измеряемых напряжений: +3000^-1 млн

Ток питания: не более 25 мА

Среднее значение чувствительности: 1,9 … 2,3 К

Диапазон рабочих температур: -50 … 70 С

Габаритные размеры: 5х3 мм

Сопротивление: 200 Ом

Клей для наклейки рекомендуется  BC-10T или  EP-310S фирмы HBM, Германия.

 

 Метод формирования тензомоста на рис.8.

 

рис.8 Метод формирования тензомоста

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4 Дополнительные элементы прибора.

 К дополнительным элементам  прибора относятся: заделка, шарики, электросоединитель, винты и корпус.

Назначение и характеристики заделки  были описаны ранее.

Шарики.

В нашем приборе используется шаровая  опора, она позволяет пружине  равномерно деформироваться и дает значительно меньшие погрешности. Выбрано по ГОСТу 3722-81 «Подшипники качения. Шарики. Технические условия». Материал – сталь ГОСТ 801-78, номинальный диаметр – 3 мм, масса – 0.111 кг.

Электросоединитель.

Чтобы обеспечить электрический выход  тензорезистора к АЦП применяем обыкновенный электросоединитель (вилка) серии 2РМГ конструктивное исполнение: 2РМГ14Б4Ш1Е2 ОАО «Завод АТЛАНТ». Вилки предназначены для внутреннего монтажа, для работы в электрических цепях постоянного, переменного (до 3 МГц) и импульсного токов при напряжении до 700В и токовых нагрузках до 150А (суммарно).

Корпус.

Выбор корпуса чаще всего зависит  от предназначения прибора. Он должен отвечать различным требованиям, которые  часто конфликтуют между собой. Надежность и дешевизна металлических  корпусов до сих пор остается решающим фактором. Поэтому для нашего прибора  выберем корпус из нержавеющей стали  ГОСТ 5582-75. Размеры корпуса зависят  от размера датчика, однако необходимо обеспечить минимальные размеры. 

Все крепления и крепежные отверстия  осуществляются с помощью винтов по ГОСТ.

 

 

 

 

 

 

4.5 Расчет различных параметров  прибора.

Функция положения

Из расчета мембраны нам известна зависимость p(ω), но не известна ω(p). Найдем ее с помощью программного  пакета WolframAlpha.

Функция преобразования деформации тензорезистора.

Исходное уравнение имеет вид:  dR/R = K_ПР dl/l, где K_ПР для константана равно 2,1

Интегрируем: ∫dR/R = ∫K_ПР dl/l, т.к. ∆R/R=ξ(ε), то интегралы будут определенными и равны: lnR_К/R_Н= K_ПР ε_Ч, где ε_Ч – деформация чувствительного элемента.

Конечная формула:  ∆R/R=e^( K_ПР ε_Ч) -1 или ξ(ε)=e^(K_ε)-1, при K_ε= K_ПР K_ПЕР.Ч.

Приближенная формула ∆R/R= K_ПР ε_Ч.

При помощи программного пакета WolframAlpha получена конечная зависимость:

 

 

 

5. Проверочные расчеты проектируемого прибора.

5.1 Проектирование модели в программном  пакете SolidWorks.

Проектируем модель:

Вид 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вид 2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вид 3:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Напряжения:

Максимальное напряжение: 210 302 00 Н/м²

Деформации:

 

 

Перемещения:

Максимальное перемещение модели: 0.96 мм.

Запас прочности:

 

5.2 Оценка погрешностей прибора.

Суммарная погрешность  прибора – это очень сложная  погрешность, состоящая из множества  погрешностей, вызванных различными факторами.

1. Инструментальные ошибки возникают вследствие несовершенства изготовления механизма высотомера, износа деталей и изменения упругих свойств чувствительного элемента. Они определяются в лабораторных условиях. По результатам лабораторной проверки составляются таблицы, в которых указываются значения инструментальных поправок для различных высот полета.  
2. Аэродинамические ошибки являются результатом неточного измерения атмосферного давления на высоте полета из-за искажения воздушного потока в месте его приема, особенно при полете на больших скоростях. Эти ошибки зависят от скорости полета, типа приемника воздушного давления и места его расположения. Этот вид ошибок не зависит от типа чувствительных элементов барометрического высотомера и ликвидируется различными конструкторскими решениями. 
3. Методические ошибки обусловлены несовпадением фактического состояния атмосферы с данными, положенными в основу расчета шкалы высотомера: давление воздуха P₀= 760 мм рт. ст., температура T₀= 15°С, температурный вертикальный градиент t_gr= 6,5° на 1000 м высоты. 
Методические ошибки включают три составляющие. Первая – барометрическая ошибка. В полете барометрический высотомер измеряет высоту относительно того, уровня, давление которого установлено на шкале. Он не учитывает изменение давления по маршруту. Обычно атмосферное давление в различных точках земной поверхности в один и тот же момент неодинаковое. Поэтому истинная высота будет изменяться в зависимости от распределения атмосферного давления у Земли. При падении атмосферного давления по маршруту истинная высота будет увеличиваться, при повышении давления - уменьшаться, т. е. возникает барометрическая ошибка, обусловленная непостоянством атмосферного давления у Земли. Ошибка учитывается следующим образом: перед вылетом - установкой стрелок высотомера на нуль; перед посадкой - установкой на высотомере давления аэродрома посадки; при расчете высот - путем учета поправки на изменение атмосферного давления. Причиной второй составляющей методической ошибки Н_темп является несоответствие фактического распределения температуры воздуха с высотой стандартным значениям, принятым в расчете механизма высотомера. Температурная ошибка особенно опасна при полетах на малых высотах и в горных районах в холодное время года. Третья составляющая - возникает потому, что высотомер в продолжение всего полета указывает высоту не над пролетаемой местностью, а относительно уровня изобарической поверхности, атмосферное давление которого установлено на приборе. Чем разнообразнее рельеф пролетаемой местности, тем больше будут расходиться показания высотомера с истинной высотой. 
Однако в нашей конструкции используется тензорезистор с высокой чувствительностью, высокая точность и линейность характеристики преобразования «давление-напряжение». А тензомост позволяет исключить погрешности связанные с передачей данных. Электронная составляющая прибора позволяет ему компенсироваться методические ошибки, и облегчить пилоту полет.

Через программный пакет  SolidWorks мы смогли составить таблицу инструментальных поправок для различных высот полета.

 

Высота, м	Погрешность, м	Высота, м	Погрешность, м	Высота, м	Погрешность, м	Высота, м	Погрешность, м
0	10	2400	40	4800	50	8400	70
300	10	2700	40	5100	50	9000	70
600	15	3000	40	5400	50	9600	70
900	20	3300	40	5700	50	10200	80
1200	30	3600	40	6000	50	10800	80
1500	30	3900	40	6600	60	11400	80
1800	30	4200	50	7200	60	12000	80
2100	40	4500	50	7800	60	12600	100

 

 

 

 

6. Выводы:

В данной курсовой работе проектировался датчик высоты полета самолета. Чувствительным элементом датчика, воспринимающим атмосферное давление, является мембрана, а точнее анероидная коробка, состоящая из двух мембран, спаянных по краям. Были выбраны и обоснованы оптимальные размеры мембраны, материал – бериллиевая бронза, гофр, и тд. Построены характеристики мембраны и проанализирован максимальный прогиб.

Вторым чувствительным элементом  прибора стала пружина. Она помогает преобразовать деформацию мембранной коробки в деформацию «растяжения-сжатия»  и позволяет наиболее точно передать ее другому чувствительному элементу – тензорезистор – полупроводниковый. В качестве материала пружины выбрана так же бериллиевая бронза, ее достоинства и характеристики описаны в РПЗ. Пружина по размерам и прочим характеристикам была согласована с мембраной.

Самым главным достоинством конструкции является использование тензорезистора в качестве преобразователя «давление-электрический сигнал».

Устаревшие модели высотометров имеют очень много факторов влияющих на их правильную работу, что приводит к большой общей суммарной погрешности прибора. Однако в нашей конструкции используется тензорезистор с высокой чувствительностью, высокой точностью и линейностью характеристики преобразования «давление-напряжение». А тензомост позволил исключить погрешности связанные с передачей данных. Электронная составляющая прибора компенсировала методические ошибки, тем самым облегчила пилоту полет.

С помощью новейшего программного пакета SolidWorks прибор был воссоздан, а так же исследован на максимальные напряжения, прогиб и деформацию. Программа позволила оценить верность проектировки, внести изменения, оценить погрешность, оценить запас прочности и многое другое. 
Решающие преимущества проектируемого датчика является компактность, невысокая стоимость (при серийном производстве), высокая надежность и простота эксплуатации.  
Таким образом, электронный высотомер имеет огромное количество преимуществ, в том числе: устойчивость к вибрации и ударам, возможность автоматической установки на ноль, возможность автоматической корректировки, прямой интерфейс с электронной системой навигации.

 

 

 

 

7. Список литературы.

Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. – М.: Машгиз, 1962. - 456с

Пономарев С.Д. Расчет упругих элементов  машин и приборов. – М.: Машиностроение, 1980. – 326с.

Клокова Н.П. Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки. – М.: Машиностроение, 1990. – 224с.

Интернет – ресурсы 

Программные пакеты:

Компас-3D V13

SolidWorks Premium 2010

WolframAlpha