Разработка прибора для измерения влажности бетонных покрытий, страница 3

Печатный узел обладает собственной резонансной частотой колебаний f₀, зависящей от таких параметров, как габариты, масса, способ крепления и т. д.

При расчете собственной частоты колебаний печатный узел уподобляем пластине (т. к. размеры сторон печатной платы приблизительно равны) с равномерно распределенной нагрузкой и точечным способом креплением.

Общее количество ЭРЭ  n=31

        Толщина печатной платы H_п=1мм.

Длина печатной платы, а = 60 мм.

Ширина печатной платы, b = 68 мм.

1. Определяем массу печатной платы по формуле:

, где

 – плотность материала основания (для стеклотекстолита )

2. Определяем суммарную массу навесных элементов печатного узла:

кг

3. Определяем распределенную по площади массу:

 кг/м²

4. При точечном способе крепления печатного узла и равномерно распределенной нагрузке собственная частота колебаний пластины определяется по формуле:  

, где

 - коэффициент, зависящий от способа крепления,

Е= - модуль упругости материала основания.

5. Рассчитываем коэффициент расстройки  ν:

По полученному значению собственной частоты колебаний, определив ν, проверим выполнение условия:

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

6. Определяем амплитуду смещения платы на собственной частоте колебаний:

 

7. Вычисляем показатель затухания для стеклотекстолита, приняв логарифмический декремент колебаний =0,1:

,

          тогда коэффициент передачи η будет равен:

8. Амплитуда смещения платы на максимальной частоте вибрации составит:

Считая печатную плату балкой по короткой стороне b, выберем расчетную модель. Нашему способу крепления соответствует случай, показанный на рис. 7.

Рис.7. Расчетная модель печатного узла

9. Вычислим допускаемые напряжения в опасном сечении из условия статической прочности, приняв коэффициент запаса n=5 (принимается от 3 до 5);

10. Вычисляем допускаемый прогиб платы, приняв коэффициент k_A=0,021

Проверяем выполнение неравенства:

А [А_ст]

Это условие выполняется.

11. Из условия динамической прочности, приняв      

σ_-1=0,3σ_в,

k_σ=1,5,

n=2,

вычисляем допускаемые напряжения:

12. Определяем допускаемый прогиб платы:

Проверяем выполнение неравенства для условия динамической прочности:

А [А_дин]                                   

Условие выполняется. Исходя из того, что условие прочности для печатной платы выполняется, можно сделать вывод, что выбранный способ крепления платы соответствует тем условиям, в которых будет эксплуатироваться данный прибор. И нет необходимости в повышении жесткости и прочности узла.

5 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Выполним расчет тепловой характеристики блока при естественной конвекции.

Исходные данные:

L₁ = 120 мм = 0,12 м – длина корпуса;

L₂  = 85 мм = 0,085 м – ширина корпуса;

L₃ = 0,035 м – высота корпуса;

L₄= 2 мм = 0,002 м – толщина стенок корпуса;

h₁ = 25 мм = 0,025 м – расстояние от верхней стенки корпуса до нагретой зоны;

h₂ = 6 мм= 0,006 м – от нижней стенки;

h₃ = 5 мм = 0,005 м – высота нагретой зоны;

Все внутренние и наружные поверхности устройства окрашены черной глифталевой эмалью, степень черноты которой ε = 0,92. Температура окружающей среды  t_с = 20 ^оС. Мощность, потребляемая устройством от сети
Р =4,5 Вт.

1. Предварительно рассчитываем геометрические размеры влагомера:

Площадь крышки (дна) влагомера:

S_в = S_н =L_1*L₂ = 0,12*0,085=0,0102м²

Площадь боковой поверхности зарядного устройства:

S_б = L_{3 *}2(L₁+L₂) = 0,035_*2(0,12+0,085) =0,01435 м²

Площадь поверхности нагретой зоны в области 1 и 2:

S₃₁= S₃₂ = l_1* l₂  = 0,06_*0,068 = 0,00408 м²

Площадь поверхности внутренней части корпуса:

S_к1=2h_1*(L₁+L₂-4L₄)+( L₁ -2L₄)_*( L₂ -2L₄)= 0,0232 м²

S_к2  = 2h_2*(L₁+L₂ -4L₄)+( L₁ -2L₄)_*( L₂ -2L₄) = 0,043м²

Площадь поверхности внутренней части корпуса в области 2:

S₃₂ = h_2* 2_* (l₁ +l₂ ) =0,006_*2_* (0,06+0,068) = 0,0015 м²

Определяем приведенную степень черноты нагретой зоны ε_п в
областях 1 и 2:

Определяем степень черноты нагретой зоны ε_п в области 2:

ε_п = ε_п1* ε_п2 = 0.907_*0.913 = 0.828

2.Используя формулу для ориентировочного определения тепловой проводимости участка от нагретой зоны к корпусу, определяем σ¹₃ в первом приближении:

σ¹₃ = 23_* (L₁ -2L₄) _* ( L₂ -2L₄) =23_* (0,12-2_*0,002) _* (0,085-2_*0,002) =0,216 Вт/К

3. Задаемся перегревом корпуса ν = 10^оС; при этом температура корпуса будет t_к = 30^оС. Определяющая температура t_m =( t_к + t_с)/2 = (30+20)/2 = 25^оС

4. Находим конвективные коэффициенты теплоотдачи верхней ( α_к.в); нижней  ( α_к.н) и боковой ( α_к.б) поверхности корпуса. Определяющий размер для верхней и нижней стенок корпуса L₂ = 0,085 м. Необходимое для вычислений значений А₁ находим из данных для воздуха:

Для t_m =25^оС, А₁ = 1,37 Вт/(м^7/4К^5/4); при этом:

α_к.в = 1,3_* А₁Вт/(м²К)

α_к.н = 0,7* А₁Вт/(м²К)

Определяющий размер для боковых поверхностей L₃ = 0,024 м; при этом:

α_к.б = А₁ Вт/(м²К)

5.Рассчитываем коэффициент лучеиспускания корпуса. Найдем значение функции температуры:

f(t_к,t_с)=5,67 Вт/(м²К)

Найдем полные коэффициенты теплоотдачи с поверхностей корпуса:

α_в = α_к.в+ α_л = 5,8+5.57 = 11,37 Вт/(м²К)

α_н = α_к.н+ α_л = 3,15+5,57 = 8,72 Вт/(м²К)

α_б = α_к.б+ α_л = 5,15+5,57 = 10,72 Вт/(м²К)

7. Находим тепловую проводимость корпуса:

σ_к = α_{в *}S_в+ α_н* S_н+ α_б* S_б = 11,37_*0,0102+8,72_*0,0102+10,72_*0,0133 =
= 0,347 Вт/К

8. Определяем температуру нагретой зоны:

t¹₃ = t_с +(t_к - t_с) _* ( 1+ ) = 20+(30-20) _* (1+) = 46^оС

9. Находим мощность, рассеиваемую в корпусе:

Р = σ_к(t_к - t_с) = 0,347_* (30-20) = 3,47 Вт

Разрабатываемый влагомер для измерения влажности бетонных покрытий предполагает то, что его эксплуатация будет производиться в строительных помещениях с повышенной запыленностью. Вследствие чего, недопустимо производить охлаждение прибора через вентиляционные отверстия.

Произведя расчеты влагомера на теплоустойчивость при условии отсутствия вентиляционных отверстий, приходим к выводу, что конструкция влагомера позволяет не применять никаких дополнительных средств отвода тепла. И электрорадиоэлементы, входящие в схему, будут работать в допустимом температурном диапазоне.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенной работы разработан удобный в эксплуатации влагомер для измерения влажности бетонных покрытий. В процессе разработки был выполнен расчет на статическую и динамическую прочность навесных элементов и самой печатной платы. Условие динамической и статической прочности выполняются, следовательно, примененный способ крепления обеспечивает работоспособность радиоэлемента и самой платы в заданных условиях эксплуатации. Разработанный прибор достаточно прост по конструктивному устройству, надежен, безопасен и обладает невысокой себестоимостью.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Периодическое издание “Радио”- начинающим,2001,№3.

2.  Сухобрус А .А. Конструирование печатных узлов. Харьков ХАИ, 1990.

3.  Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/ Под общ. Ред. Н. Н. Горюнова. 4-е изд., перераб.    и доп. М., 1977.

4.  Гелль П. П., Иванов - Есипович Н. К. Конструирование и миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры : Учебник для вузов. Л.,1984.

5.  Терещук Р. М., Терещук К. М. , Седов С. А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. Киев “Наукова думка”,1981