Моделирование воздействия пониженного давления на датчик линейных перемещений

2017, № 3

УДК 53.072.8

DOI 10.21685/2307-5538-2017-3-10

А. А. Трофимов, Д. А. Рязанцев, Р. М. Тимонин

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОНИЖЕННОГО ДАВЛЕНИЯ НА ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

MODELING OF THE INFLUENCE OF THE LOWERED PRESSURE ON SENSOR OF THE LINEAR DISPLACEMENT

Аннотация. Актуальность и цели. Целью работы является определение работоспособности датчика линейных перемещений в условиях воздействия пониженного давления методом имитационного моделирования тепловых процессов и экспериментальным определением дополнительной погрешности от воздействия пониженного давления. Материалы и методы. Проведено моделирование тепловой модели нагрева элементов конструкции датчика от рассеиваемой мощности электрорадиоизделий. Выполнено экспериментальное подтверждение результатов моделирования с последующей оценкой работоспособности датчика в условиях воздействия пониженного давления по значению дополнительной погрешности. Результаты. Приведены результаты расчетов рассеиваемой мощности электрорадиоизделий и показано моделирование тепловых полей при воздействии пониженного давления на датчик линейных перемещений. Разработана 3D-модель датчика. Экспериментально подтверждена правильность конструктивных решений датчика. Определена дополнительная погрешность датчика от воздействия пониженного давления. Выводы. Результаты моделирования и экспериментов подтвердили работоспособность исследуемого датчика в условиях воздействия пониженного давления.

Abstract. Background. The purpose of the work is a determination to capacity to work of the sensor of the linear displacement working in condition of the lowered pressure by way of modeling of the heat processes and experimental determination to additional inaccuracy from influence of the lowered pressure. Materials and methods. Organized modeling in the manner of heat model of the heating element to designs of the sensor from diffused powers of electronic components. The Executed piece of evidence result modeling and estimation to capacity to work of the sensor in condition of the influence of the lowered pressure on importance of additional inaccuracy. Results. The brought results calculation diffused powers electronic components and modeling by heat flap at influence of the lowered pressure on sensor of the linear displacement. 3D-model of the sensor is designed. Experimental is confirmed correctness of the constructive decisions of the sensor. Additional inaccuracy of the sensor is determined from influence of the lowered pressure. Conclusions. The results of modeling and experiment have confirmed capacity to work of the sensor in condition of the influence of the lowered pressure.

Ключевые слова: датчик линейных перемещений, рассеиваемая мощность, тепловая модель датчика, имитационное моделирование, пониженное давление.

Key words: sensor of the linear displacement, diffused power, heat model of sensor, simulation modeling, lowered pressure.

A. A. Trofimov, D. A. Ryazantsev, R. M. Timonin

68

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Введение

Эффективность систем управления сложными объектами во многом зависит от первичных средств измерения (датчиков). Значительный объем среди них занимают датчики линейных перемещений (ДЛП) [1]. В системах управления ДЛП применяются для определения положений подвижных объектов, кинематических звеньев механических и гидравлических приводов и т. д. При разработке ДЛП следует обращать внимание на работоспособность разрабатываемого датчика в конкретных условиях применения.

Среди основных требований, которые предъявляются к ДЛП, выделяют требование по устойчивости к внешним воздействующим факторам, одним из которых является пониженное давление. Требование по устойчивости к воздействию пониженного давления предъявляется в первую очередь к аппаратуре, применяемой в авиационной и космической отраслях.

При эксплуатации ДЛП в условиях пониженного давления постоянно возникает задача отвода тепла от тепловыделяющих элементов и определения их максимальной температуры. Одними из таких элементов являются электрорадиоизделия (ЭРИ), которые выделяют тепловую энергию, равную рассеиваемой мощности ЭРИ в единицу времени.

Тепловая энергия от ЭРИ распространятся посредством излучения во внешнюю среду и за счет теплопроводности и естественной конвекции. Для бортовой аппаратуры теплообмен в основном происходит за счет теплопроводности [2]. Это вызвано тем, что излучение во внешнюю среду эффективно при высоких температурах более 100-150 °С, а конвективный перенос внутри блока затруднен из-за отсутствия естественной конвекции в условиях пониженного давления. Проверка правильности выбранных конструктивных решений, влияющих на работоспособность аппаратуры в условиях пониженного давления, является актуальной проблемой.

Основная часть

Для подтверждения правильности выбранных конструктивных решений и проверки соблюдения тепловых режимов эксплуатации ЭРИ, влияющих на работоспособность разрабатываемого ДЛП в условиях пониженного давления, выполнен расчет рассеиваемой мощности ЭРИ датчика и проведено имитационное моделирование тепловых потоков, возникающих при его работе.

Конструкция ДЛП в виде 3Б-модели представлена на рис. 1, а принцип работы описан в [3]. По условиям эксплуатации ДЛП должен непрерывно работать в течение 7200 с в условиях пониженного давления 1,33-Ю-4 Па.

1 2 За 35 30 Зг 4 5

Рис. 1. 3Б-модель ДЛП: 1 - приспособление для задания перемещений; 2 - чувствительный элемент; 3 - платы с ЭРИ; 4 - радиатор; 5 - разъем ДЛП; 6 - корпус

ДЛП имеет конструкцию со встроенной электроникой, которая требует расчета тепловых режимов в зависимости от рассеиваемой мощности ЭРИ, находящихся под максимальной электрической нагрузкой. В ДЛП таковыми являются микросхемы линейных интегральных

2 017 , ^ 3

стабилизаторов напряжения, располагающиеся на плате блока питания. Для линейных интегральных стабилизаторов напряжения рассеиваемая мощность рассчитывается по формуле [4]:

Ррас = (идоп - и

ВЫХ )1доп + идоп^П ,

где Ррас - мощность рассеивания; идоп - максимальное (допустимое) входное напряжение;

и

- максимальный (допустимый) ток нагрузки; 1П - ток

ВЫХ выходное напряжение; 1 потребления.

В блоке питания ДЛП расположены два стабилизатора напряжения 142ЕН12 и 142ЕН5А, которые преобразуют напряжение (±27) В в напряжение (±5) В и (±15) В. Полученные в результате расчетов значения рассеиваемой мощности для стабилизаторов напряжения в соответствии с режимами их эксплуатации и техническими условиями [5, 6] приведены ниже.

и ВЫХ = 17,5 В,

Для стабилизатора 142ЕН12 рассеиваемая мощность при идоп = 28,5 В, ^ ВЫХ = 0,08 А, 1П = 0,1 А равна Ррас = 3,73 Вт.

Для стабилизатора 142ЕН5А рассеиваемая мощность при = 0,005 А, 1П = 0,01 А равна Ррас = 0,11 Вт.

идоп = 9

В,

и ВЫХ = 5

В,

Рассчитанные значения рассеиваемой мощности не превышают значения, допустимые техническими условиями на них (по ТУ максимально допустимая рассеиваемая мощность микросхем 142ЕН12 и 142ЕН5А равна 9 Вт), следовательно, электрические режимы работы ЭРИ ДЛП соблюдаются.

Даже при соблюдении электрических режимов работы ЭРИ в условиях пониженного давления может возникнуть ситуация, когда выделяемая ЭРИ тепловая энергия приведет к выходу ДЛП из строя. Такая ситуация может потребовать обеспечения дополнительного теплоотвода, поэтому конструкцией датчика, показанной на рис. 1, предусмотрен радиатор 4, который обеспечивает отвод тепла со стабилизатора напряжения 142ЕН12.

Для определения соответствия температурных режимов эксплуатации ЭРИ в ДЛП температурным режимам ЭРИ, допускаемыми техническими условиями на них, проведено имитационное моделирование тепловых режимов работы ДЛП в условиях пониженного давления с помощью программного обеспечения Solidworks и модуля FlowSimulation [7].

Для имитации работы ДЛП была создана 3Б-модель ДЛП с приспособлением для задания перемещения, представленная на рис. 1. Имитационное моделирование проводилось исходя из условий эксплуатации датчика и крепления его на объекте. Начальная температура корпуса и элементов ДЛП принята равной 20 °С. Моделирование проводилось при отсутствии естественной конвекции [8], что имитирует работу ДЛП при пониженном давлении.

На рис. 2 представлена тепловая модель ДЛП в условиях пониженного давления 1,33^10-4 Па за время непрерывной работы 7200 с. Максимальную температуру 99,3 °С имеет микросхема стабилизатора напряжения 142ЕН12, установленная на плате 3в (рис. 1). Техническими условиями допускается работа микросхемы 142ЕН12 при температуре до 125 °С.

Температура

"1

М<п=г0.гб 'С Мах=99.3Э53 "С Вргчн = 7200 в

Рис. 2. Распределение температуры внутри ДЛП при воздействии пониженного давления

69

доп

доп

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Тепловые модели плат 3б и 3в (рис. 1) представлены на рис. 3. На плате 3б установлена микросхема 142ЕН5А, которая разогревается максимально до 56 °С, что не приведет к отказу ДЛП и соответственно не требует введения дополнительного теплоотвода, так как предел рабочей температуры микросхемы 142ЕН5А равен 125 °С.

3б 3в

Рис. 3. Тепловая модель плат 3в и 3б ДЛП при работе в условиях пониженного давления

На рис. 4 показано, как разогревалась микросхема 142ЕН12 за 7200 с при работе в условиях пониженного давления. Из рис. 4 следует, что тепловой баланс достигается при значении температуры 99,3 °С между 4600 и 6000 с работы ДЛП.

Рис. 4. Изменение максимальной температуры ДЛП при работе в условиях пониженного давления

Для подтверждения правильности полученных результатов имитационного моделирования проведена проверка работоспособности ДЛП в условиях пониженного давления. Оценка проведена экспериментально путем определения дополнительной погрешности ДЛП, которая при пониженном давлении в значительной степени определяется температурой.

При проведении эксперимента ДЛП с приспособлением для задания перемещения был помещен в вакуумную установку УРМ-3 и подключен к приборам согласно схеме, представленной на рис. 5. После набора в камере установки значения пониженного давления 1,33 •Ю-4 Па

70

2 017 , ^ 3

было включено питание датчика. ДЛП во включенном состоянии находился в камере в течение 2 ч, при этом проводился контроль выходного сигнала от перемещения.

Рис. 5. Схема испытаний ДЛП на воздействие пониженного давления: 1, 2 - кабели для подключения приборов; О - источник питания постоянного тока Б5-РУ - вольтметр универсальный В7-34А

Проведено три цикла испытаний по описанной выше методике. Экспериментально полученные значения выходного сигнала с ДЛП представлены в табл. 1.

Таблица 1

Выходной сигнал ДЛП

Значение влияющей величины Значение измеряемой величины Номер цикла

1 2 3

Выходной сигнал, В

Давление, Па (мм рт.ст.) Перемещение, мм и1 и2 и

от 8,6-104 до 10,6-104 2,5 3 3 3

1,33-10-4 2,5 2,967 2,968 2,968

Эти данные позволяют рассчитать величину погрешности у в интервале изменения влияющей величины [9].

Среднее значение выходного сигнала при нормальном давлении определяется как

и

и1+и 2+и3

СРНОРМ

71

72

Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль

Среднее значение выходного сигнала при пониженном давлении определяется как

и = и1 + и 2 + и3

^СРПОНИЖ _ 3 • ^

Значение дополнительной погрешности от воздействия пониженного давления определяется выражением

у ДР =± и СРПОНИЖ^и СРНОРМ1100%,

где N - значение нормирующей величины, равное 6 В.

В соответствии с формулами (2)-(4) дополнительная погрешность от воздействия пониженного давления составит удР = ±0,544 %.

Заключение

ДЛП по результатам эксперимента выдержал испытание на воздействие пониженного давления, при этом дополнительная погрешность составила ±0,544 % [10], что говорит о его работоспособности в условиях пониженного давления 1,3 •Ю-4 Па. Полученные экспериментальные данные и результаты моделирования подтверждают правильность выбранных конструктивных решений, обеспечивающих его работоспособность в условиях воздействия пониженного давления.

Таким образом, подтверждена возможность определения работоспособности ДЛП в условиях воздействия пониженного давления моделированием тепловых потоков в зависимости от рассеиваемой мощности тепловыделяющих элементов с применением программного обеспечения Solidworks и модуля FlowSimulation.

Библиографический список

1. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник : пер. с англ. / Дж. Фрайден. - М. : Техносфера, 2005. - 588 с.

2. Фаворский, О. Н. Вопросы теплообмена в космосе / О. Н. Фаворский. - М. : Выс. шк., 1972. - 280 с.

3. Рязанцев, Д. А. Датчик линейных перемещений для систем измерения ракетно-космической техники / Д. А. Рязанцев, А. А. Трофимов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2016. - № 4 (18). - С. 42-48.

4. Хорловиц, П. Искусство схемотехники : пер. с англ. / П. Хорловиц. - М. : МИР, 1998. -704 с.

5. Технические условия бКО.347.098 ТУ3 П0.070.052 на микросхему ОСМ 142ЕН5А. - 38 с.

6. Технические условия бКО.347.098 11ТУ П0.070.052 на микросхему ОСМ 142ЕН12. - 43 с.

7. Алямовский, А. А. Инженерные расчеты в SolidWorksSimulation / А. А. Алямовский. -М. : ДМК Пресс, 2010. - 464 с.

8. Исаченко, В. П. Теплопередача : учеб. для вузов / В. П. Исаченко. - 3-е изд. - М. : Энергия, 1975. - 487 с.

9. Осадчий, Е. П. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Е. П. Осадчий. - М. : Машиностроение, 1979. - 480 с.

10. Трофимов, А. А. Методическая погрешность расчета магнитных потоков трансформаторных датчиков перемещений / А. А. Трофимов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2013. - № 4 (6). - С. 9-15.

Трофимов Алексей Анатольевич

доктор технических наук, профессор, кафедра информационно-измерительной техники и метрологии, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: iit@pnzgu.ru

Trofimov Aleksei Anatol'evich

doctor of technical science, professor,

sub-department of information and measuring

equipment and metrology,

Penza State University

2017, № 3

73

Рязанцев Дмитрий Андреевич

инженер-конструктор, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10) E-mail: nik2@niifi.ru

Тимонин Роман Михайлович

инженер-конструктор, Научно-исследовательский институт физических измерений (Россия, г. Пенза, ул. Володарского, 8/10) E-mail: rmt@niifi.ru

Ryazantsev Dmitriy Andreevich

design engineer, Scientific-research Institute of physical measurements

Timonin Roman Mikhailovich

design engineer, Scientific-research Institute of physical measurements

УДК 53.072.8 Трофимов, А. А

Моделирование воздействия пониженного давления на датчик линейных перемещений /

А. А. Трофимов, Д. А. Рязанцев, Р. М. Тимонин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. -2017. - № 3 (21). - С. 67-73. БО! 10.21685/2307-5538-2017-3-10.