Проектирование модульной конструкции измерителя барометрического давления для барометрического нивелирования
Курсовой проект - Геодезия и Геология
Другие курсовые по предмету Геодезия и Геология
Рисунок 3. Внешний вид устройства.
Рисунок 4. Внешний вид и размеры пластины.
Обеспечить наименьшую чувствительность сильфона к измерению давления тензорезистором на пластине внутри сильфона.
Предполагаемая величина измеряемого давления:
- 1000 мм рт. ст. = (600 - 1000 ) • 133.3 = 79980 - 133300 Па,
Атмосферное давление:
Самое высокое атмосферное давление отмечено 12 декабря 1968 г. в Акапе, на севере Сибири. Давление воздуха на уровне моря достигало здесь 1133.3 ГПа.
Самое низкое атмосферное давление, равное 880 ГПа, было зарегистрировано в центре урагана Джимбер в Тихом океане 12 сентября 1988 г.
Самое низкое на Земле давление возможно, никогда и не будет измерено, так как оно встречается в самом центре торнадо. Вряд ли возможно установить барометр точно в том месте, где пройдет торнадо. Кроме того, кажется невероятным, чтобы какой-либо прибор мог выдержать напор чудовищной силы ветров, бушующих в центре торнадо.
Размеры пластины: высота L = 165 мм, h = 17 мм
Пластина закреплена в нижней части своего основания. К верхней части пластины приварена по окружности верхняя часть цилиндрического сильфона, нижняя часть которого приварена по окружности к основания устройства по окружности вокруг исследуемой пластины.
Точность измерения - 0.1%.
Диаметр сильфона D = 60 мм = 0.06 м
Найти толщину пластины d.
Определить материал пластины.
Чувствительность прибора и подбор сильфона.
Проволочные и фольговые тензорезисторы применяют при измерении относительных деформаций до ?l/l = 1.5%, а полупроводниковые до 0.1%.
Для измерения механического напряжения материала, по оси действия этого напряжения наклеивают один тензорезистор. В этом случае напряжение в материале
s = Em(Dl/l) = Em ? (DR /(St • R)), где
- модуль упругости материала, ГПа;- чувствительность тензорезистора.
Рассмотрим исследуемую пластину.
барометрический нивелирование тензорезистор сильфон
Рисунок 5. Схема действия сил.
Определим внутренние усилия в поперечных сечениях стержня методом сечения. Напряжение - это внутренне усилие N, приходящее на единицу площади A. Приведем формулу для нормальных напряжений ? при cжатии пластины. Учтем, что по третьему закону Ньютона сила реакции опоры равна и противоположна по направлению действующей силе. В нашем случае разница в давлении возникает между полостями с разным давлением (атмосферным и вакуумом см. рис. 3), которые разделены сильфоном. Силы возникающие при этом равномерно распределены по линии соединения сильфона с верхней пластиной (окружность диаметром Dсильф). Для упрощения расчетов заменим ее эквивалентной силой, приложенной к центру пластины, к которой приварена искомая пластина. Эта сила будет равна:
сильф = Р • Sсильф = Р • Fэф_сильф,
Где Fэф_сильф - табличное значение эффективной площади сильфона.
5.1 Подбор и расчет сильфона
По условию задачи нам необходимо обеспечить наименьшее влияние сильфона на чувствительность пластины. Этому требованию удовлетворяют однослойные сильфоны с наименьшей, возможной площадью гофрированной части (именно в этой части происходит наибольшее сопротивлению на изгиб под действием разности давлений в приборе). По ГОСТ 22388-90 остановимся на применении сильфона, выполненного под заказ нестандартной длины, с параметрами:
Рисунок 6. Внешний вид сильфона.
Обозначениеd, ммdвп ммL0, ммl, ммFэф, см2?, ммP, МПа63-6(8,9,15)-0,16(0,22;0,26)47.5551655,023.1-247.2-160.44-1.05
Где Fэф найдем, считая прямо пропорциональное увеличение площади при увеличении длины сильфона (метод экстраполяции):
При L0 = 88.5 мм табличное значение Fэф = 24 см2 .
эф_сильф = 24 + (165 - 88.5) • (24 - 23.1) / (88.5 - 42.5) =
= 25.496739130434782608695652173913 ? 25.5 см2 = 25.5 • 10-4 м2
Подставив числовые значения, получим:
= Fсильф = Р • Fэф = 133300 • 25.5 • 10-4 = 339.915 ? 339.9 Н,= 339.9 Н,
В расчет будем брать предел пропорциональности, который составляет
- 25 % от предела текучести. Примем - 20%. В итоге получим ограничения по условию прочности при растяжении - сжатии для пластины:
Где
Так как поперечная сила при центральном растяжении-сжатии равна нулю, то и касательное напряжение =0.
Часть нагрузки передается сильфону, нагрузка эта незначительна. Поскольку по ГОСТ 22388-90 сильфоны выпускаются с диапазоном характеристик: осевой ход сильфона (сжатие) от 0.6 мм до 24.7 мм, максимальное рабочее давление (внутреннее и наружное) от 0.25 МПа до 3.1 МПа считаем расчет прочности сильфона можно опустить.
Размеры пластины: высота L = 165 мм = 0.165, h = 17 мм = 0.017 м. Площадь пластины будет равна:
А = L • h • d = 0.165 • 0.017 • d = 0.002805 d,
По условию прочности берем максимальное значение приложенной силы:
Теперь нам нужно подобрать материал, чтобы выполнялось условие:
Но с другой стороны мы должны отталкиваться от коэффициента тензочувствительности тензорезисторов. Наибольший коэффициент имеют полупроводники. Допустим мы возьмем кремний. У него значение St достигает 170.
т = 170, но ? = Em(?l/l) = Em • (?R /(St • R)),
Для полупроводников - ?l/l 0,1% = 0.001,
Точность измерения по условию что допустимо.
? 0.001 Em ,
т.е. 0.606 /d 0.001 • Em
или Em 606 / d
Все ограничения определены.
Em МПа 606 / d
[s] МПа 0.606/d
Технологически рекомендуемая величина толщины пластины d = 3.5 мм. Найдем для этой величины допустимые ограниче