Высотомер электрический
Содержание
1 Введение
2 Техническое задание
на курсовую работу
3 Назначение устройства.
Краткое описание.
04
3.1 Назначение устройства………………..………………………………
3.2 Принцип действия…………………… ………………………………….………... 05
4 Проектировочный расчет
4.1 Расчет чувствительного элемента – мембрана...………………………….… 06
4.2 Подбор чувствительного элемента – плоская пружина………………………14
4.3 Выбор тензорезистора ……………………..………………..............
4.4 Дополнительные элементы прибора ………………………….............………..17
4.5 Расчет различных параметров прибора ………………………….............……18
5 Проверочные расчеты
проектируемого прибора
5.1 Проектирование модели в программном пакете SolidWorks ……..……….. 19
5.2 Оценка погрешностей
прибора……………………...……………………….….
6 Выводы
7 Список литературы
- 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.
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
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
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
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) ωmax=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 ωmax=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).
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:
- Тип чувствительного элемента: в зависимости от величины деформации, для нашего случая подходит фольговый.
- Материал подложки: наиболее используется полиамид.
- Длина чувствительного элемента: для измерений металлических материалов наиболее подходят тензорезисторы с базой от 1 – 6 мм.
- Конфигурация: одиночная (измерения вдоль одной оси).
- Сопротивление: наиболее часто используется 120 Ом.
- Коэффициент линейного расширения материалов, для которых KYOWA выпускает тензорезисторы с различной температурной самокомпенсацией (ТСК): для бериллевой бронзы(16,7) ТСК=16.
- 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
К дополнительным элементам
прибора относятся: заделка,
Назначение и характеристики заделки были описаны ранее.
Шарики.
В нашем приборе используется шаровая
опора, она позволяет пружине
равномерно деформироваться и дает
значительно меньшие
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
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 = KПР dl/l, где KПР для константана равно 2,1
Интегрируем: ∫dR/R = ∫KПР dl/l, т.к. ∆R/R=ξ(ε), то интегралы будут определенными и равны: lnRК/RН= KПР εЧ, где εЧ – деформация чувствительного элемента.
Конечная формула: ∆R/R=e^( KПР εЧ) -1 или ξ(ε)=e^(Kε)-1, при Kε= KПР KПЕР.Ч.
Приближенная формула ∆R/R= KПР εЧ.
При помощи программного пакета WolframAlpha получена конечная зависимость:
5. Проверочные расчеты проектируемого прибора.
5.1 Проектирование модели в
Проектируем модель:
Вид 1:
Вид 2:
Вид 3:
Напряжения:
Максимальное напряжение: 210 302 00 Н/м2
Деформации:
Перемещения:
Максимальное перемещение
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 tgr= 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
Нтемп 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
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

- Выставка: «В гостях у столицы»
- Выставка как специальное событие в рамках PR-деятельности
- Выставка одного шедевра
- Выставка одного шедевра
- Выставки в туристическом бизнесе
- Выставки «Выставочного зала» Союза Художников (Большая Морская, 38)
- Выставки и ярмарки
- Высокоуровневые методы программирования
- Высокоуровневые языки программирования
- Высокоуровневые языки программирования
- Высокочестотный генератор с внешним возбуждением
- Высокоэластическое состояние полимеров
- Высокоэффективная жидкостная хроматография
- Высокоэффективная жидкостная хроматография и применение ее в фармацевтическом анализе