Разработка прибора для измерения влажности бетонных покрытий, страница 2

Далее сигнал формируется на формирователе -устройстве, преобразующем выходные сигналы с датчиков (индуктивных, емкостных, оптических) в переключения релейного контакта с различными временными задержками и длительностями. Этот сигнал используется и преобразуется в микроконтроллере в код, измеряется индикатором  и будет прямопропорционален влажности измеряемой среды.

2  КОНСТРУКЦИЯ ПРИБОРА

Разработанная конструкция прибора измерения влажности  представляет собой пластмассовый корпус (изготовлен литьём) и крышку, крепление которых  между  собой  осуществляется  с  помощью  4  винтов. Устройство содержит две печатных платы. В современной электронной аппаратуре печатная плата является основной несущей конструкцией, наиболее ответственной за работоспособность всего изделия в целом. Навесные элементы расположены параллельно плоскости платы. Радиоэлементы, обладающие наибольшей массой, установлены на печатную плату вплотную, и количество выводов у них способствует достаточно прочному и устойчивому креплению

Корпус имеет форму полого параллелепипеда, с одной стороны которого имеется окошко для индикации. Оно представляет собой вклеенный кусочек прозрачного пластика для защиты самого индикатора от различного рода механических воздействий и царапин. Также  на лицевой панели расположены отверстия для кнопок клавиатуры. Внешний вид прибора представлен на рис 2.

Печатные платы выполнены из стеклотекстолита СФ-1-50, так как стеклотекстолит обладает высокой механической прочностью, низким водопоглощением, высокой химической  стойкостью, отличными диэлектрическими характеристиками и долговечностью.

Рис. 2 –   Внешний вид цифрового измерителя влажности бетонных покрытий

Первая печатная плата крепится непосредственно к основанию четырьмя винтами, с установленными на ней ЭРЭ.  ЭРЭ соединены с печатной платой пайкой, что обеспечивает надежность электрических контактов. Габаритные размеры печатной платы(0,06х0,068м) определяются в первую очередь характером применяемых элементов и плотностью их размещения. Первая печатная плата значительно меньше по габаритам в сравнении со второй.

Клавиатура и индикатор крепятся на вторую печатную плату на стойки, чтобы поднять клавиатуру и индикатор к верхней крышке корпуса.  Винты – саморезы вкручены в корпус прибора. Внутри корпуса печатная плата крепится на цилиндрических выступах на четырех винтах. Для удобства в эксплуатации на задней панели корпуса предусмотрен специальный отсек для установки аккумулятора, что позволяет значительно упростить работу самого прибора.

Рис 3 – Разрез влагомера

Элементы на печатной плате располагаются в соответствии с электрической схемой согласно технологическим требованиям.

3 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

3.1. ВЫБОР МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Радиоэлементы, обладающие наибольшей массой, установлены на печатную плату вплотную, и количество выводов у них способствует достаточно прочному и устойчивому креплению. Элементы, установленные на плату на частично нагруженных выводах, менее уязвимы, чем элементы на нагруженных выводах. Таким образом, рассчитывать на прочность будем выводы навесного элемента, который установлен на плату на нагруженных выводах, не смотря на его небольшую массу. Таким является резистор С2-8.

Реальный элемент при расчете на прочность заменяется математической моделью, вид которой зависит от типа радиоэлемента и способа его крепления.  В качестве расчетной модели навесного элемента, закрепленного на выводах, принимают прямоугольную раму с защемленными краями и сосредоточенной массой (рис. 5).

                        

Рис. 5а.   Реальный элемент                     Рис. 5б. Математическая модель

3.2.РАСЧЕТ НА ДИНАМИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ ВЫВОДОВ НАВЕСНОГО ЭЛЕМЕНТА

Реальный элемент, а именно резистор С5-5 с параметрами:

L = 20 мм

D =6,15 мм

h =6 мм

d = 1 мм

Выводы выполнены из медной проволоки, для которой σ_в=400 МПа, σ_-1=100 МПа, Е=1,23*10⁵ МПа (1,23*10¹¹ Н/м²)

Определяем собственную частоту колебаний математической модели.

Для математической модели в виде упругой рамы в случае действия силы перпендикулярно оси навесного элемента и плоскости печатной платы, формула для расчета собственной частоты колебаний  f₀ будет иметь вид:

, где

 - модуль упругости первого рода материала выводов;

 - осевой момент инерции поперечного сечения вывода;

d – диаметр вывода, м;

  - длина вывода от точки изгиба до радиоэлемента;

 Определяем частотное отношение по формуле:

В дорезонансной зоне, когда , инерционная сила P_и, действующая на элемент, определяется как:

Где  g – ускорение свободного падения;

= 15 –вибрационная перегрузка.

 Определяем изгибающие моменты в точках расчетной модели, где их значение наибольшее. Для данного случая изгибающие моменты максимальны в точках А и D и определяются по формуле:

 

В этих точках изгибающие моменты создают напряжения:

а) изгибающие напряжения, определяемые по формуле:

,

где  - осевой момент сопротивления поперечного сечения вывода;

 - площадь поперечного сечения вывода.

Эквивалентное напряжение в сечении при действии указанных напряжений определяется как:

  

 

Согласно условию прочности эквивалентное напряжение не должно превышать величины допускаемого напряжения для материала

.

Допускаемое напряжение в условиях действия знакопеременных нагрузок рассчитаем из выражения:

 ,

Где  - предел усталости – предельное напряжение, которое может выдержать испытуемый образец без разрушения за заданное количество циклов колебаний;

n- коэффициент запаса прочности, равный 1,8…2;

- эффективный коэффициент концентрации напряжений, равный 1.0…1.2

Условие прочности: ; .

Условие выполняется, поэтому указанный способ крепления резистора соответствует характеру и величине приложенных усилий.

3.3 РАСЧЕТ НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ ВЫВОДОВ НАВЕСНОГО ЭЛЕМЕНТА

Предполагается, что на элемент одновременно воздействуют линейные, ударные и вибрационные нагрузки, тогда инерционная сила, приложенная к элементу, составит:

, где

n_л = 10– линейная перегрузка;

n_уд = 25 – ударная перегрузка;

n_в = 15 – вибрационная перегрузка.

Для полученного значения инерционной силы, ведем расчет, аналогичный расчету на динамическую прочность выводов навесного элемента.

Определяем изгибающие моменты в точках расчетной модели, где их значение наибольшее. Для данного случая изгибающие моменты максимальны в точках В и С и определяются по формуле:

 

В этих точках изгибающие моменты создают напряжения:

а) изгибающие напряжения, определяемые по формуле:

,

 

Эквивалентное напряжение в сечении при действии указанных напряжений определяется как:

.

Согласно условию прочности эквивалентное напряжение не должно превышать величины допускаемого напряжения для материала:

.

Из условия статической прочности допускаемое напряжение равно:

 , где

- предел прочности материала вывода элемента;

n- коэффициент запаса прочности, равный 3…5;

Условие прочности выполняется, т.к :

Условие динамической и статической прочности выполняются, следовательно, примененный способ крепления обеспечивает работоспособность радиоэлемента в заданных условиях эксплуатации.

4 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ