Электронный блок расходомера жидкости

Электронный блок расходомера жидкости

Содержание

Введение

1. Принципиальная схема ультразвукового измерителя расстояния

. Конструкция электронного блока

. Расчет выводов навесного элемента R

. Расчет печатной платы

. Расчет тепловой характеристики блока

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Средства измерения играют важную роль при построении современных автоматических систем регулирования отдельных технологических процессов, которые требуют представления большого количества необходимой измерительной информации в форме, удобной для сбора, дальнейшего преобразования, обработки и ее представления. Именно поэтому в сфере приборостроения постоянно ведутся разработки новых и усовершенствование уже существующих методов и средств измерения. Новые разработки позволяют измерять необходимые параметры все более с высокой точностью, применять устройство в более жестких условиях эксплуатации, а это значительно расширяет область его эксплуатации, что особенно важно для авиационной промышленности.

Сегодня основными направлениями в разработках методов и средств измерения расстояния являются: повышение точности за счет введения новых электронных блоков, усовершенствование конструкции корпуса датчика, расширение диапазона измерения за счет использования датчика с большей чувствительностью.

Влияние условий эксплуатации на аппаратуру представляет собой сочетание климатических, радиационных и механических факторов. Наиболее подвержена комплексному воздействию факторов ЭРА - она должна быть работоспособной в условиях негерметизированного пространства, больших вибраций и перегрузок, имея при этом малые габариты и вес.

В данной расчетно-пояснительной записке приведены расчет навесного элемента и печатной платы на жесткость, статическую и динамическую прочность, а также тепловой расчет конструкции.

1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ультразвукового измерителя расстояния

Рис 1. Схема электрическая принципиальная

Основным элементом устройства является микроконтроллер ATmega128. ATmega128 - маломощный 8-разр. КМОП микроконтроллер, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega128 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет проектировщикам систем оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.

Согласно принципиальной схеме, для подключения элементов используются: альтернативные функции портов A, C, D, E микроконтроллера, выходы RESET, XTAL1, XTAL2, Vcc - напряжение цифровых элементов, GND - общий.

Жидкокристаллический индикатор - обладает следующими техническими характеристиками:

¾      напряжение питания - +5 В;

¾      потребляемая мощность - 10 - 15 мВт ;

¾      встроенный контроллер - KS0066 или HD44780 (аналог);

¾      встроенные фонты - англ. или англ./рус., спецсимволы;

¾      Диапазон раб. температур - 20...+50°С;

¾      Способ подсветки - LED - светодиодный.

Схема подключения питания индикатора предполагает наличие переменной нагрузки. В данном случае переменного резистора 3266.

Основные параметры переменного резистора 3266 :

¾      мощность - 1Вт;

¾      максимальное напряжение - 350В;

¾      погрешность - ±1%;

¾      диапазон рабочих температур - -40…+70 °С.

Для передачи и приема данных к микроконтроллеру подключена микросхема MAX202. MAX202 - интерфейс передачи информации между двумя устройствами на расстоянии до 20 м. Основные технические характеристики MAX202:

¾      скорость передачи данных - 120 кбит/с;

¾      количество приемников - 2;

¾      количество передатчиков - 2;

¾      напряжение питания - 5В;

¾      ток потребления без нагрузки - 2 мА.

Для обеспечения функционирования микросхемы MAX202 дополнительно в схему включается комплект конденсаторов CSMD100P0805C (100пФ).

На выводы порта Е микроконтроллера, выполняющих альтернативные функции источников внешнего прерывания, единичные сигналы подаются при замыкании ключей SW1 и SW2 соответственно через триггеры Шмидта. Каждая схема триггера Шмидта представляет собой две последовательно соединенных элемента "2И - НЕ" микросхемы К555ЛА3.

В качестве дополнительной нагрузки на микросхему К555ЛА3 используются резисторы SMD 0,125.

В качестве SW1 и SW2 выбраны кнопки PB6142FL - 4, имеющие следующие параметры:

¾      напряжение питания - 5В;

¾      максимальное сопротивление контактов - 100мОм;

¾      минимальное сопротивление изоляции - 100МОм;

¾      электрическая прочность - 300 000 переключений;

¾      рабочая температура - - 20 …+70;

¾      сила нажатия - 1,6 ± 0,5 Н;

¾      ход кнопки - 0,25 ± 0,1 мм.

На вывод RES для мониторинга напряжений питания подключается интегральный супервизор питания MAX 809. Вывод 3 ИС подключается к источнику питания +5В. ИС обеспечивают высокую надежность систем при низкой стоимости, благодаря исключению необходимости подключения внешних элементов и регулировок. Низкий потребляемый ток делает ИС MAX809 идеальными для применения в портативном оборудовании.

Стабилизатор напряжения блока питания LM7805, который используется в схеме данного устройства, работает в широком диапазоне выходных напряжений, имеет встроенную систему защиты от перегрузки и от перегревания - как только температура кристалла микросхемы превысит допустимое значение, происходит ограничение выходного тока.

. КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА РАСХОДОМЕРА ЖИДКОСТИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

Конструкция электронного блока расходомера жидкости (приложение А) представляет собой пластмассовый корпус (изготовлен литьём) и крышку, крепление которых между собой осуществляется с помощью 2 винтов М3-3e х 26.66.019 ОСТ92-0736-72, которые закручиваются со стороны корпуса. Материал для изготовления корпуса выбран исходя из условий эксплуатации и экономических требований. Толщина стенок крышки и корпуса достаточна для обеспечения нормальной работы прибора согласно требованиям прочности, устойчивости, жесткости и характеристикам тепловых режимов работы.

Устройство содержит в своем составе два печатных узла. На первом ПУ расположены действующие элементы, которые выполняют рабочую функцию прибора, а на втором ПУ размещен светодиодный. Плата изготовлена из фольгированного стеклотекстолит.

Крепление индикатора происходит с помощью 2х винтов М3-8g х 12 ОСТ92-0730-72, которые крепятся к специально утолщенным стенкам корпуса. Для защиты индикатора от внешних воздействий к крышке прибора с внутренней стороны приклеивается стекло. На крышке прибора находятся две кнопки.

Прибор герметичен, что обеспечивается металлической частью корпуса, поэтому измеряемая жидкость не попадает внутрь прибора и обеспечивает его надежную работу.

Элементы на печатной плате располагаются в соответствии с электрической принципиальной схемой согласно технологическим требованиям. Габаритные размеры печатной платы определяются в первую очередь характером применяемых элементов и плотностью их размещения. Для уменьшения габаритных размеров и массы прибора применяются полупроводниковые приборы, миниатюрные навесные элементы, печатный монтаж. Использование микросхем способствует переходу не только к малой массе и размеру, но и к микротокам, а следовательно, и к небольшим тепловыделениям. Кроме того, снижение материалоемкости существенно отражается на экономии исходных материалов.

Питание осуществляется с помощью 2х батареек, для смены которых в боковой панели расположена крышка.

Печатная плата - однослойная, чего достаточно для размещения ЭРЭ и печатного монтажа.

Для защиты от повреждений печатный узел покрывается лаком УР - 231 ОСТ19.0055 - 85.

Пайка выполняется припоем ПОС 61 ГОСТ 21931 - 76

Соответствие разработанной ПП расходомера жидкости высоких температур топологического конструирования

Габаритные размеры печатной платы составляют 50х50х2. Такие маленькие габариты удалось достичь с помощью использования микросхем, миниатюрных навесных элементов и печатный монтаж. При разработке ПП расходомера топлива ДВС были рассмотрены несколько вариантов расположения элементов. Учитывая основные критерии был выбран наиболее оптимальный вариант, представленный в приложении . Главным критерием наилучшего решения служит правило двух минимумов : минимум пересечений и минимум длины связей. На основе этого правила и было выбрано такое расположение элементов, что позволило значительно сократить длину печатного монтажа, при этом сохранив необходимое расстояние между элементами и токопроводящими дорожками.

. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ И ЖЕСТКОСТЬ ВЫВОДОВ ЭЛЕМЕНТА

ультразвуковой электронный плата печатный

Данная конструкция относится к наземной аппаратуре. Исходя из того, что процесс эксплуатации исследуемого устройства не связан с воздействием больших перегрузок или жесткими климатическими условиями, будем считать, что на аппаратуру действуют нагрузки связанные с автомобильным перевозками.

Выполним расчет на прочность и жесткость ПП из фольгированнoго стеклотекстолита, толщиной 2 мм с креплением в 4 точках. На плате установлены: резисторы SMD 0,125 - 15 шт.; конденсаторы К53 - 4 - 4 шт., CSMD100P0805C - 5 шт; резонатор кварцевый 1.00МНС49 - 1 шт., микросхемы MAX202 - 1 шт.; ATMEGA128 - 1 шт., MAX809 - 1 шт., К555ЛА3 - 1 шт., индикатор DV - 0802 - 1 шт., батарейка AC - 03 - 3 шт.

Для конденсатора К53 - 4 выполнить расчет на прочность выводов при условии, что он установлен на плате горизонтально, а нагрузка приложена вдоль его оси.

Расстояние между центрами монтажных отверстий 17 мм, между осью элемента и платой 3 мм.

Для указанного случая применения находим следующие условия эксплуатации:

¾      амплитуда колебаний 10 - 40 мм

¾      виброперегрузка n_в=10

¾      ударная перегрузка n_уд=10

¾      линейная перегрузка n_л=6 .

Для конденсатора К53 - 4 выписываем габаритные размеры:

¾      L = 13 мм

¾      D = 4 мм

¾      Dвыв = 0,8 мм

Выводы выполнены из холоднокатаной медной проволоки, для которой находим:

¾      s_в=400 МПа,

¾      s_-1=100 МПа,

¾      E=1,23*10⁵ МПа (1,23*10¹¹Н/м²)

Для стеклотекстолита:

¾      плотность r=1,6*10³ кг/м³

¾      предел прочности s_в=200 МПа

¾      модуль упругости E=3*10⁴ МПа (30*10⁹ Н/м²)

Вычислим длину вывода l от точки изгиба до радиоэлемента:

l= мм

коэффициент k=

Момент инерции поперечного сечения вывода элемента равен:

 мм⁴

Собственная частота колебаний для принятой модели состоит:

 2698 Гц

Рассчитаем коэффициент расстройки:

Коэффициент расстройки меньше 0,5, следовательно, величину силы, действующей на элемент, находим из уравнения:

 Н

Определим максимальные изгибающие моменты в характерных точках рамы:

Вычислим изгибающее напряжения вывода, предварительно рассчитав момент сопротивления сечения провода:

По отношению к этой же точке сила P_u будет вызывать деформацию сдвига. Напряжение сдвига найдем, предварительно определив площадь поперечного сечения вывода:

Эквивалентное напряжение составит:

Допускаемое напряжение находим, приняв :

Проверяем выполнение неравенства при действии вибрации 1,97 < 55.

Неравенство выполняется.

Определим инерционную силу, приложенную к модели при одновременном действии линейных, ударных и вибронагрузок:

По полученному P_u определяем изгибающий момент в точке А, изгибное напряжение и напряжение сдвига:

Эквивалентное напряжение будет равно:

При коэффициенте запаса прочности n=4 допускаемое напряжение:

Проверим выполнение неравенства из условия статической прочности: 4,81 < 100

Неравенство выполняется как из условия динамической, так и статической прочности. Для элемента применяется способ крепления, соответствующий условиям эксплуатации. Поскольку мы вели расчет самого тяжелого элемента, то можем сделать вывод, что и другие элементы выдержат соответствующие нагрузки.

. РАСЧЕТ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

Выбираем расчетную модель, уподобляя ПП пластине с равномерно распределенной нагрузкой и точечным креплением.

Определим массу ПП из уравнения:

_n=ρabH_п=1,6·10³×0,05×0,05×0,002=0,0225 кг

Суммарная масса навесных элементов составит:

М_э = ∑м_in_i = 10^-3(15*2+5*1,1+4*0,6+2+2+15+2+4+15) = 0,078 кг

Распределенная по площади масса будет равна:

м^″= кг/м²

Коэффициент В при четырех точках крепления имеет значение:

В=

Собственная частота колебаний платы :

=1,57=581 Гц

Рассчитываем коэффициент расстройки υ:

Затем проверяем выполнение условия: 0,5≤0,026≤1,41

Условие не выполняется, следовательно, печатный узел не работает в резонансной области.

Определяем амплитуду смещения платы на собственной частоте колебаний:

м.

По следующей формуле, приняв логарифмический декремент колебаний , значение показателя затухания для фольгированного стеклотекстолита будет равным:

Тогда коэффициент передачи η будет равен:

Амплитуда смещения платы на максимальной частоте вибрации составляет:

м.

Вычислим допускаемые напряжения в опасном сечении из условия статической прочности, приняв коэффициент запаса n=3:

[σ]=

Вычислим допускаемый прогиб платы, приняв коэффициент К_а=0,021:

м.

Проверяем выполнение неравенства:

А £ [А]

Неравенство выполняется.

Из условия динамической прочности, приняв

σ_-1=0,3σ_в, К_σ=1,3 и n=1,8 вычислим допускаемые напряжения:

[σ]=.

Определяем допускаемый прогиб платы:

[А]=

Проверяем выполнение неравенства:

А £ [А]

< .

Неравенство выполняется, что свидетельствует о работоспособности печатного узла в заданных условиях эксплуатации.

. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ БЛОКА

Габариты блока: длина L₁=125 мм, ширина L₂=75 мм, высота L₃=22мм. Расстояние от верхней стенки кожуха до нагретой зоны h₁=4 мм, от нижней стенки до ПП - h₂=3 мм. Высота нагретой зоны h₃=10 мм, толщина стенок кожуха L₄=2мм. Температура окружающей среды t_c=20°С.

Предварительно рассчитываем геометрические размеры блока. Площадь крышки кожуха:

 м^{2 .}

Площадь боковой поверхности блока:

 м^2.

Площадь поверхности нагретой зоны в верхней и нижней области:

 м^2.

Площадь поверхности внутренней части блока в верхней и нижней области:

Площадь поверхности нагретой зоны в нижней области:

 м²

1.      Используя формулу для ориентировочного определения тепловой проводимости участка от нагретой зоны к кожуху, определяем  в первом приближении:

 Вт/К

2.      Задаемся перегревом кожуха °С; при этом температура кожуха будет °С.

Определяющая температура °С.

3.      Находим конвективные коэффициенты теплоотдачи верхней, нижней, боковой поверхности кожуха. Необходимое для вычисления значения А₁ находим из данных для воздуха:

Для °С  ; при этом

 Вт/(м² К);

 Вт/(м² К).

Определяющий размер для боковых поверхностей L₃=0,019 м; при этом

 Вт/(м² К).

4.      Рассчитываем коэффициент лучеиспускания кожуха. Найдем значение функции температуры

 Вт/(м² К);

при этом  Вт/(м² К).

5.      Найдем полные коэффициенты теплоотдачи с поверхности кожуха:

 Вт/(м² К);

 Вт/(м² К);

 Вт/(м² К).

6.      Находим тепловую проводимость кожуха:

Вт(м²К)

7.      Определяем температуру нагретой зоны:

°С

8.      Находим мощность, рассеиваемую в блоке:

 Вт.

9.      Задаемся перегревом кожуха , при этом температура кожуха будет , определяющие температуру .

Необходимое для вычислений значение при t_m=25=1.37 Вт/(), при этом:

α_к.б

Рассчитываем коэффициент лучеиспускания кожуха:

при этом .

Найдем полные коэффициенты теплоотдачи с поверхностей кожуха:

Найдем тепловую проводимость кожуха:

σ_к = α_{в *}S_в+ α_н* S_н+ α_б* S_б = 8,83*0,0089+7,3*0,0025+8,51*0,00741= 0,20644 Вт/К.

Находим мощность, рассеиваемую в блоке:

Проведя тепловой расчет, можем сделать вывод, что рассеиваемая в блоке мощность невелика, поэтому особых мер по защите блока от теплового воздействия не требуется.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе рассмотрен электронный бок расходомера жидкости. В расчетно-пояснительной записке представлена конструкция блока и расчеты навесного элемента на виброустойчивость и на статическую прочность, расчеты печатной платы на жесткость и расчет тепловой характеристики блока. В графической части прилагается сборочный чертеж электронного блока. В результате проведенного анализа выяснилось, что условие жесткости выполняется как в динамическом режиме, так и в статическом, что свидетельствует о работоспособности печатного узла в заданных условиях эксплуатации.

Разработанный прибор рекомендуется для использования в широком спектре отраслей промышленности. В связи с этим при проектировании прибора решались следующие задачи: снижение объема и массы, расширение использования микроэлектронной базы, увеличение степени интеграции, максимальное использование стандартизации.

Список используемой литературы

1.      Авиационные приборы: Учебник для ВУЗов./В.А. Боднер.- М..-Машиностроение 1969.-467с., ил.

2.      Конструирование и микроминиатюризация радиоэлектронной аппаратуры: Учебник для вузов./П.П. Гель, Н.К. Иванов-Есипович. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1984.-536 с., ил.

3.      Конструирование печатных узлов: Учеб. Пособие./ А.А. Сухобрус, В.А.Ткаченко. - Харьков: Харьк. Авиац. Ин-т,1990.-105 с.

.        ОСТ 4.010.030.-81.Установка навесных элементов на печатных платах.