Конструкторский расчет печатных плат

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

печатный плата проводник трассировка

Введение

1. Описание схемы преобразователя расхода газа

2. Конструкторский расчет печатных плат

2.1 Размещение элементов на печатной плате

2.2 Определение минимального диаметра монтажного отверстия

2.3 Определение минимального диаметра переходного отверстия

2.4 Определение ширины проводников

2.5 Определение минимального расстояния между двумя соседними элементами

2.6 Электрический расчет печатных плат. Расчет сопротивления длинного проводника

2.7 Трассировка печатных плат

2.8 Расчет массы элементов

2.9 Расчет вибропрочности

2.10 Расчет теплового режима

3. Расчет резьбовых соединений крепления платы

3.1 Расчет прочности винтов М4 (с учетом момента от массы всей конструкции)

3.2 Расчет усилий, действующих в стыке

3.3 Расчет на прочность винта М4 40Х

3.4 Расчет на срез резьбы в корпусе

Заключение

Библиографический список

Введение

В курсовой работе согласно технического задания производится конструирование платы для блока преобразования и вычисления учета расхода газа на ГРП технологического объекта.

Разработка данной темы связана с необходимостью точного учета природного газа на всех уровнях: добыча, транспортировка, потребление природного газа. Рынок средств учета различных энергоносителей на сегодняшний момент является наиболее сложным. Важной задачей становится правильно сориентироваться в этом разнообразии и найти оптимальное решение.

На объектах газового хозяйства еще широко используются для учета газа механические дифманометры ДСС, обладающие такими существенными недостатками как низкая точность измерений, нелинейность характеристик, зависимость результатов от человеческого фактора, ручной труд при обработке диаграммы.Предлагаемые комплексы учета импортного производства на базе вычислителей дороги и в них могут быть заложены алгоритмы расчетов, которые не соответствуют отечественной нормативной базе.

При разработке алгоритмов необходимо учитывать: СНиП 42-01-2001 "Газораспределительные системы";

"Правила учета газа" от 14 октября 1996г. Министерство топлива и энергетики.

Для коммерческого учета газа активно используются счетчики газа ,которые ранее в основном использовались при техническом учете. При выборе и разработке таких счетчиков необходимо руководствоваться ПР 50.2.019-2006. "Методика выполнения измерений при помощи турбинных, ротационных и вихревых счетчиков".

1. Описание схемы преобразователя расхода газа

При разработке узла учета газа для ГРП технологического объекта решались следующие задачи задачи:

- достижение независимости результатов измерения от изменения параметров среды за счет контроля давления и температуры газа;

- улучшения точности контроля расхода за счет применение датчика фотометрического типа для туринного счетчика;

- учет специфики работы с природным газом при его редуцировании на ГРП.

ГРП (газораспределительный пункт)- предназначен для снижения давления природного или попутного нефтяного, предварительно очищенного от тяжелых углеводородов, газа до заданного давления и поддержания его с заданной точностью. Узел замера расхода газа находится в технологическом отсеке (категория отсека по взрывопожарной безопасности - А).

Задача обеспечения взрывозащищенности решена применением датчиков температуры и давления в специальном взрывозащищенном исполнении.

В общей схеме учета используется блок искрозащиты, который предназначен для организации искробезопасной электрической цепи и электрического сопряжения оборудования, совместимого интерфейсом RS-232 и расположенного в невзрывоопасной зоне, с оборудованием, расположенным во взрывоопасной зоне.

Принцип работы преобразователя основан на преобразовании объема протекающего через него газа в пропорциональное количество оборотов турбинки. Сигнал с измерительного датчика числа оборотов через блок обработки сигнала поступает в схему электронного преобразователя собранного на микроконтроллере и непосредственно в микроконтроллер.

Сигнал с измерительного датчика температуры через блок обработки сигнала поступает в схему электронного преобразователя собранного на микроконтроллере и непосредственно в микроконтроллер.

Сигнал с измерительного датчика давления через блок обработки сигнала поступает в схему электронного преобразователя собранного на микроконтроллере и непосредственно в микроконтроллер.

Микроконтроллер преобразовывает этот сигналы в показания расхода газа. Данные передаются в блок индикации (ЖК модуль) и отображаются на индикаторе в виде десятичных цифр. С выхода МК информация через интерфейс связи предается на ПЭВМ диспетчерского пункта. Схема электронного преобразователя собранного на микроконтроллере может перепрограммироваться на различные диапазоны работы расхода газа. В состав включена клавиатура. Интерфейс с оператором предполагается организовать в режиме выбора пунктов меню и изменения установленных по умолчанию значений. Разрабатываемое устройство имеет в своем составе блок питания с источником стабилизированного напряжения. Блок питания подключается к преобразователю через блок искрозащиты. Связь с ПЭВМ по интерфейсу RS-232 через блок искрозащиты.

Основным элементом схемы преобразователя сигналов является микроконтроллер TMS 320T243PGEA компании Texas Instruments. В контроллер загружается программа обработки сигналов абсолютного шифратора через микросхему MAX232, что обеспечивает связь контроллера с ПЭВМ.

В схеме существует три канала связи с датчиком. Первый канал формирует сигнал CLOCK для синхронизации датчика, он работает на передачу данных из микроконтроллера в датчик. Второй канал работает как приемо-передатчик сигналов интерфейса DAT из датчика в микроконтроллер (основного кода [суммы] о текущем положении датчика). Третий канал служит для увеличения точности датчика. Он принимает сигналы SIN и COS из датчика с реперных частей оптического диска датчика. Сигналы SIN и COS с помощью источника опорного напряжения согласуются с микроконтроллером.

В начальный момент времени после запуска программы микроконтроллер формирует и выдает по каналу DAT кодовое слово. Через 2 такта по каналу CLOCK датчик начинает передавать информацию о положении оптического диска. Микроконтроллер обрабатывает полученную информацию, формирует код положения диска, анализирует сигнал ошибки, и, если получается контрольная сумма, передает полученный код в регистры хранения данных. Внешнее устройство (ПЭВМ) по каналу связи «забирает» код из регистров. Микроконтроллер вновь записывает в регистры данные (код) о положении оптического диска.

2. Конструкторский расчет печатных плат

Расчет печатных плат проводится с учетом производственных погрешностей рисунка проводящих элементов, фотошаблона, базирования, сверления и т.п. За основу принимаем параметры плат третьего класса точности, как наиболее оптимальный вариант по технологичности и простоте изготовления. Платы данного класса точности так же являются наиболее распространенными в области микроэлектроники.

Граничные значения основных параметров печатного монтажа, которые могут быть обеспечены при конструировании и производстве для третьего класса точности приведены в таблице 1.

2.1 Размещение элементов на печатной плате

При аналитическом определении объемов размещаемых элементов стремятся свести их количество к минимуму а размеры брать такими, чтобы сразу можно было получить значения установочных размеров.

Исходными данными для расчета являются:

- количество элементов в блоке;

- количество наименований элементов;

- физическая площадь элементов блока;

Таблица 1. Номинальные значения размеров основных параметров элементов конструкции печатных плат

Наименование элемента	Условное обозначение	Размеры, мм
Ширина проводника		0.25
Расстояние между проводниками		0.25
Гарантированный поясок наружного слоя		0.1
Гарантированный поясок внутреннего слоя		0.05
Отношение диаметра отверстия к толщине Платы		0.33

- линейные размеры;

- коэффициент заполнения.

Для расчета используется выражение:

,

где Siэ - установочная площадь i-го элемента, мм²;

Кs - коэффициент заполнения площади платы (равен 0.4...0.6 для элементной базы 3-го поколения, 0.45...0.75 - для элементной базы 3-го и 4-го поколений).

Габаритные размеры элементов

Таблица 2

Наименование	Площадь, мм2
Резисторы	200
Конденсаторы	120
Вилки	1350
Микросхемы	4082,95
ИТОГО	5752,95 мм2

Общая площадь, занимаемая компонентами с учетом припусков вокруг каждого элемента, обусловленных шириной контактных площадок, равна 5752,95мм². Коэффициент заполнения платы не имеет существенного значения, т.к. разрабатываемое устройство является стационарным.

Ориентировочный коэффициент заполнения 0.6. При этом площадь платы будет составлять 9588,25. При проектировании печатного узла одним из наиболее важных критериев оптимизации является правильная компоновка, т.е. максимальное использование площади печатной платы при минимально возможных ее размерах

При проектировании печатного узла одним из наиболее важных критериев оптимизации является правильная компоновка, т.е. максимальное использование площади печатной платы при минимально возможных ее размерах. В соответствии со стандартом МЭК 297-3 выбираем из типоразмеров размер печатной платы: 100 x 160 мм.

2.2 Определение минимального диаметра монтажного отверстия

Номинальные значения диаметра монтажного отверстия:

где d_Э - максимальное значение диаметра вывода навесного элемента, устанавливаемого на плату;

r - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода элемента;

d_Н.О. - нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.

d=0,6+0,1+0,2=0,9 (мм)

2.3 Определение минимального диаметра переходного отверстия

Минимальный диаметр переходного отверстия :

где j - коэффициент = 0,33

h_ПП - толщина печатной платы.

d_П0,33*20,66 (мм)

2.4 Определение ширины проводников

Номинальное значение ширины проводника:

где t_ТД - минимально допустимое значение ширины проводника.

t_П=0,17+0,08=0,25 (мм)

2.5 Определение минимального расстояния между двумя соседними элементами

Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка[13]:

где S_ТД - минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка.

S=0,15+0,1=0,25 (мм)

Минимальное расстояние для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками с диаметрами D:



где n - количество проводников;

l - допуск.

l=(1,64+1,64)/2+0,25*1+0,25*(1+1)+0,05=2,44 (мм)

т.е. между двумя контактными площадками можно провести максимум только один проводник.

2.6 Электрический расчет печатных плат. Расчет сопротивления длинного проводника

Сопротивление самого длинного из возможных проводников:

где h_ФС - толщина фольгированного слоя.

R=(1,72*10^-8*0,34)/(0,25*10^-3*35*10^-8)=0,55 (Ом)

2.7 Трассировка печатных плат

Расчет данных для трассировки печатной платы блока питания

При трассировке печатной платы блока питания устройства, необходимо подсчитать ширину трассы для каждого вида нагрузки. Блок питания, содержит в себе источник опорного напряжения 2,5 В, ток потребления не более 1-3 мА, питание системы управления +5В на ток не более 170мА.

Определяем требуемую величину трасс для каждого из оставшихся потребителей.

S_ПЗ0,0172*0,34*0.003/(0,015*5)*40=0,001 (мм)

S_ПЗ0,0172*0,34*2/(0,015*5)*40=1,7 (мм)

Для платы блока питания установлены следующие параметры:

ширина основной трассы 1 мм

ширина шины питания исполнительных устройств 2 мм

трассировка производится по сетке 1,25 мм

расстояние между трассами не менее 0.25 мм

расстояние между отверстиями не менее 2,5 мм (кроме крепления разъемов)

Трассировка в двух слоях; преимущественные направления не определены.

Разрешено скругление углов и диагональная трассировка.

Последовательность действий конструктора при конструировании печатной платы следующая:

- выбрать форму и материал платы печатной;

- по электрической схеме определить ориентировочные размеры печатной платы;

- выполнить размещение элементов на печатной плате;

- выполнить размещение проводников (трассировку) на плате;

- уточнить размеры печатной платы;

- определить соответствие печатной платы нормативно-технической документации;

- оформить чертежи.

Конструирование осуществляется ручным, полу автоматизированным и автоматизированным методами.

При ручном методе размещение навесных элементов и трассировка печатных проводников осуществляется вручную непосредственно конструктором. Данный метод обеспечивает оптимальный результат.

Автоматизированный метод предусматривает:

размещение навесных элементов с помощью ЭВМ при ручной трассировке печатных проводников;

ручное размещение навесных элементов при автоматизированной трассировке печатных проводников автоматизированным переносом рисунка на машинные носители. Метод обеспечивает высокую производительность труда.

Автоматический метод предусматривает кодирование исходных данных, размещение навесных элементов и трассировку печатных проводников с помощью ЭВМ. При этом допускается доработка отдельных соединений вручную. Метод обеспечивает высокую производительность труда.

При конструировании возможно применение пакетов прикладных программ.

Пакет прикладных программ PCAD позволяет выполнять следующие проектные операции: создание символов элементов принципиальной электрической схемы и корпусов; графический ввод принципиальной электрической схемы и конструктивов плат проектируемого устройства; ручную и автоматическую трассировку печатных проводников произвольной ширины; автоматизированный контроль результатов проектирования ПП на соответствие принципиальной электрической схеме.

Программный комплекс PCAD включает в себя взаимосвязанные пакеты программ, образующих систему сквозного проектирования ПП электронной аппаратуры. Фирмой ACCEL выпускается два варианта системы PCAD 8.5: Master Design и Associate Design. Большими возможностями обладает вариант Master Design.

В состав PCAD входят следующие программы:

- Schematic Editor - графический ввод и редактирование принципиальной электрической схемы;

- Symbol Editor - графический ввод и редактирование символов радиоэлектронных компонентов на принципиальных схемах;

- PCB Editor - графический ввод и редактирование конструктивов ПП, автоматическое или ручное размещение компонентов на плате;

- Part Editor - графический ввод и редактирование корпусов компонентов РЭА и стеков контактных площадок.

Графический редактор принципиальных схем и символов компонентов имеет два режима: Schematic Editor и Symbol Editor. После загрузки графического редактора экран дисплея форматируется и разбивается на несколько зон. Зона меню подкоманд, предназначенная для команд графического редактора, расположена справа от окна и внизу под ним. Команды выбираются щелчком левой кнопки мыши. Расположенные справа команды имеют подкоманды, список которых выводится на экран после выбора основной команды. Построение чертежа выполняется с помощью манипулятора мышь, перемещаемого по горизонтальной поверхности рабочего стола, при этом на экране дисплея синхронно перемещается курсор в виде креста. Координатная сетка на экране упрощает процесс построения чертежа и повышает точность позиционирования. Шаг координатной сетки по осям X и Y показан в поле Grd. Текущие координаты указываются в поле XY.

В схемном графическом редакторе полная информация о чертеже заносится в 18 слоев, устанавливаемых по умолчанию. На каждой фазе работы с графическим редактором необходима не вся имеющаяся информация, поэтому часть слоев делают невидимыми. Информация о слоях выводится по команде View Layer. Всего слоев поддерживается до 100. Слои могут быть окрашены в любой из 16 цветов. Каждый слой имеет одно из трех состояний: OFF - слой невидим и недоступен, ON - слой видим но недоступен, ABL - слой видим и может стать активным.

Также отличительной особенностью PCAD является использование атрибутов. Атрибуты состоят из двух частей: ключевого слоя и значения, разделенных знаком равенства “=”. Ключевое слово должно начинаться с буквы и иметь длину до 23 символов. Значение атрибута представляет собой последовательность чисел или текстовых переменных, разделенных запятыми. После вода атрибута ключевое слово и знак равенства становятся невидимыми на экране.

При использовании атрибутов можно значительно облегчить работу со схемой. В частности можно использовать автоматическое создание корпусов компонентов, автоматическое присвоение имени цепи и др.

При создании символов УГО элементов дискретного типа есть своя специфика, которую следует помнить.

Для дискретных компонентов не должны присутствовать имена и номера выводов на схеме. Имя дискретного компонента не слое DEVICE не наносится. Номера выводов по команде Enter/Packing Data наносят на слое ATTR2, который в дальнейшей работе выключают.

Для резисторов дополнительно следует указать атрибут RVALUE=<номинал>. Он необходим для диагностики ошибок, связанных с отсутствием резистора в цепях для микросхем с открытым коллектором.

Для дискретных компонентов целесообразно создавать два УГО: для вертикального и горизонтального расположения на схеме.

Замечательной особенностью системы PCAD является возможность определения стратегии трассировки, что позволяет в значительной степени повысить эффективность автоматической трассировки и сделать ее индивидуальной для каждого конкретного разрабатываемого устройства.

Для трассировки блока электроэлементов и блока питания используется стратегия - Steiner.

Для редактирования чертежей используется программный пакет AutoCAD.

Команды AutoCAD могут выбираться из меню с помощью кнопок панелей управления, а так же набираться с клавиатуры в текстовом окне. Независимо от способа набора команды для ее повторения необходимо нажать клавишу Enter. AutoCAD хранит чертежи в файлах с расширением “.dwg”. Кроме чертежа этот файл содержит ряд параметров. При создании нового чертежа эти параметры устанавливаются по умолчанию, либо берутся из чертежа прототипа. В AutoCAD имеется возможность определения формата и точности представления чисел. Ввод координат с клавиатуры возможен в абсолютных и относительных координатах. Относительные координаты задают смещение относительно последней введенной точки. Для удобства работы можно определить пользовательскую систему координат, которая может быть смещена относительно исходной и повернута под любым углом. Чертежи в AutoCAD создаются в примитивах, над которыми понимают элементы чертежа, которые обрабатывают как единое целое, а не как совокупность точек и объектов. Система позволяет ставить линейные, угловые, диаметральные, радиальные и координатные размеры. Составные элементы размера: размерная линия, выносная линия и размерный текст. Имеется возможность ввода своего значения. Все линии, стрелки, элементы текста рассматриваются как один примитив.

Как и система PCAD система AutoCAD поддерживает слойность чертежа. Слои обладают свойствами сходными со слоями PCAD, что дает возможность редактировать чертежи созданные PCAD-ом. Слои в AutoCAD могут содержать имя слоя, состоящее из символов и цифр-букв, они могут переходить из включенного состояния в выключенное и наоборот. На каждом слое можно задавать свой цвет и тип линии, что помогает при создании и редактировании чертежей.

2.8 Расчет массы элементов

Масса печатной платы без элементов определяется по формуле:

М_пп=аbhp,

где а - длина печатной платы; b-ширина печатной платы; h=0.15 см - толщина печатной платы;

р=1.8 г/см - удельная плотность материала печатной платы ,выполненной из стеклотекстолита.

Подставив соответствующие значения в формулу, получим:

М_ПП =980.151.8=19.44 г;

Масса ЭРЭ, установленных на плате, определяется по формуле:

М_эрэ = n_i m_i,

где m_i - масса i-го элемента;

n_i - количество i-х элементов;

i - количество типов элементов.

Тогда масса печатной платы вместе с массой ЭРЭ будет равна:

M_П=М_ПП+М_эрэ=19.44+74.8=94.24 г

Талица 3. Масса элементов

Наименование	Масса, Г
Резисторы	2,6
Конденсаторы	1,56
Вилки	17,55
Микросхемы	53,08
ИТОГО	74,8

2.9 Расчет вибропрочности

Для того, чтобы проверить насколько хорошо защищено проектируемое устройство от механических воздействий, необходимо провести расчеты собственных частот вибраций корпуса и платы, а затем подобрать соответствующие виброизоляторы. Так как проектируемое устройство предполагается использовать без виброизоляторов, то в этом случае плата является единственной колебательной системой.

Жесткость платы зависит от материала, формы, геометрических размеров и способа закрепления. Печатная плата разрабатываемого прибора изготовлена из стеклотекстолита марки СФ-2-35. Она имеет прямоугольною форму следующих размеров:

При расчете собственной частоты вибрации печатной платы используют следующие допущения:

плата представляется в виде модели распределенными массами и упругими демпфирующими связями;

элементы на плате располагаются равномерно на ее поверхности;

плата с элементами принимается за тонкую пластину, так как h/b<0,1

толщина платы принимается постоянной, h = const;

материал платы однородный, идеально упругий, изотропный;

возникающие изгибные деформации малы по сравнению с толщиной платы;

при изгибе платы нейтральный слой не подвергается деформации растяжения (сжатия).

Основная резонансная частота колебаний платы, определяется по формуле:

,

где поправочный коэффициент веса, выбираемый из таблицы 4;

поправочный коэффициент, на материал, выбираемый из таблицы 5;

частотная постоянная, выбираемая из таблицы 6;

толщина пластины, см;

длина пластины, см.

Таблица 4. Значения поправочного коэффициента веса () в зависимости от отношения массы элементов, размещенных на пластине () к массе пластины ()

	1	2	4	6	8	10	12	24
	0,71	0,60	0,44	0,38	0,33	0,30	0,28	0,20

Таблица 5. Значения поправочного коэффициента () на материал

Материалл
Сталь 1.00 Молибден Магниевые сплавы Алюминиевые сплавы Титан Гетинакс Эпоксидная смола Фенольная смола	1,00 1,10 0,97 0,95 0,93 0,54 0,52 0,47

Таблица 6. Значения частотной постоянной () в зависимости от способа закрепления и отношения сторон пластины ()

	Отношение сторон пластины
	0,25	0,5	1	1,5	2	2,5	3	4
	9	11	18	28	43	62	85	144

Исходя из вышеизложенного, выбираем следующие коэффициенты: , , .

В результате механических воздействий печатная плата подвержена усталостному разрушению, в особенности при возникновении механического резонанса. Чаще всего усталостные отказы проявляются в виде обрыва проводников, разрушения паянных соединений, нарушения контактов разъемах. Подобные разрушения можно предотвратить, если обеспечить выполнение условия:

где - минимальная частота собственных колебаний платы, Гц;

- ускорение свободного падения, g = 9.8м/c²;

безразмерная постоянная, выбираемая в зависимости от частоты собственных колебаний и воздействующих ускорений.

- максимальные вибрационные перегрузки, выраженные в единицах g.Получим,

.

Условие выполняется. Следовательно, проектируемая плата будет иметь достаточную усталостную прочность при гармонических вибрациях.

2.10 Расчет теплового режима

Радиоэлектронный аппарат представляет собой один из типов преобразователей энергии. В процессе работы к нему подводится определенное количество электрической энергии. В зависимости от коэффициента полезного действия какая-то часть этой энергии является полезной (выходная энергия), другая ее часть, как правило, большая, выделяется в виде тепловой энергии. Неиспользуемая тепловая энергия частично рассеивается в окружаемое пространство, а большая часть расходуется на нагревание узлов и деталей, что может привести к снижению стабильности работы аппарата. Для избежания этого нежелательного явления необходимо обеспечить нормальный тепловой режим в проектируемом приборе.

Под тепловым режимом радиоэлемента, узла, аппарата понимается их температурное состояние, т.е. пространственно-временное распределение температуры в элементе, узле, аппарате. Чтобы обеспечить нормальный тепловой режим РЭА, а значит и надежность, применяют радиоэлементы, устойчиво работающие в широком диапазоне температур, снижают их коэффициенты нагрузки, используют различные схемные решения.

Широкое распространение получили методы регулирования теплообмена внутри аппарата, и аппарата с окружающей средой. Эти методы сводятся к поддержанию допустимого теплового режима элементов и аппарата при изменении их электрического режима и внешних условий. Регулирование теплообмена достигается путем рациональной компоновки элементов в аппарате и аппарата в целом, использования теплоотводящих устройств для отдельных элементов или группы элементов, специальных систем охлаждения.

Для определения целесообразности применения того или иного способа регулирования теплообмена необходимо оценить сам тепловой режим и только после этого судить о необходимости его регулирования.

Ориентировочный выбор способа охлаждения РЭА необходимо провести еще на ранней стадии проектирования. Для этого необходимы следующие данные:

температура окружающей среды ;

давление окружающей среды Па;

давление внутри прибора Па.;

горизонтальные и вертикальный размеры:

длина м, ширина м, высота м;

коэффициент заполнения по объему .

При выборе способа охлаждения следует определить будет ли прибор охлаждаться самостоятельно или будет применяться система охлаждения. Выбор способа охлаждения целесообразно выполнять с помощью графиков, характеризующих области целесообразного применения различных способов охлаждения. За основной показатель, определяющий области целесообразного применения различных способов охлаждения, принимается величина плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена:

,

где - суммарная мощность, рассеиваемая с поверхности теплообмена;

- коэффициент, учитывающий давление воздуха (при атмосферном давлении =1);

- условная поверхность нагретой зоны.

Предварительный выбор способа охлаждения провели с помощью ПЭВМ, в результате которого определили, что для разрабатываемого устройства вполне приемлем герметичный корпус с естественной конвекцией тепла.

Расчет теплового режима модуля цифрового управления температурой по заданному закону произведен на ЭВМ по следующей методике:

1) Рассчитывается площадь внешней поверхности:

,

где и - горизонтальные размеры, м;

- вертикальный размер, м.

2) Определяется условная поверхность нагретой зоны:

,

где - коэффициент заполнения прибора по объему.

3) Определяется удельная мощность:

,

где - мощность, рассеиваемая прибором.

4) Определяется удельную мощность нагретой зоны:

5) Находится коэффициент в зависимости от удельной мощности модуля:

6) Находится коэффициент в зависимости от удельной мощности нагретой зоны:



7) Находится коэффициент в зависимости от давления среды вне прибора :

,

где - давление окружающей среды в Па.

8) Находится коэффициент в зависимости от давления среды внутри прибора :

,

где - давление внутри корпуса аппарата в Па.

9) Рассчитывается перегрев прибора:

10) Определяется перегрев нагретой зоны:

11) Определяется средний перегрев воздуха в блоке:



12) Определяется удельная мощность элемента:

,

где - мощность, рассеиваемая элементом (узлом), температуру которого требуется определить;

- площадь поверхности элемента, омываемая воздухом.

13) Рассчитывается перегрев поверхности элемента:

14) Рассчитывается перегрев среды, окружающей элемент:

15) Определяется температура прибора:

16) Определяется температура нагретой зоны:

17) Определяется температура поверхности элемента:



18) Определяется средняя температура воздуха в приборе:

19) Находится температура среды, окружающей элемент:

Результаты расчета теплового режима блока, выполненного на ЭВМ, в таблице 7.

Результаты расчета теплового режима проводились с использованием пакета прикладных программ «МВТУ». Программный комплекс “Моделирование в технических устройствах” (“МВТУ”) - современная среда интеллектуального САПР, предназначенная для детального исследования и анализа нестационарных процессов в системах автоматического управления, в ядерных и тепловых энергоустановках, в следящих приводах и роботах, в любых технических системах, описание динамики которых может быть реализовано методами структурного моделирования. Является альтернативой программным продуктам SIMULINK, VisSim, MATRIXx и др.

Основное достоинство: пакет выложен в свободном доступе на сайте МВТУ им. Баумана для использования студентами при выполнении курсовых и дипломных работ.

Таблица 7. Результаты расчета теплового режима прибора

Наименование коэффициента	Обозначение	Численное значение
1	2	3
Площадь поверхности, м2		0,086
Площадь условной поверхности нагретой зоны, м2		0,0345
Удельная мощность ,		59,94
Удельная мощность нагретой зоны,		149,42
Нагрев, зависящий от , К		7,833
Нагрев, зависящий от , К		18,28
Коэффициент, зависящий от		0.9995
Коэффициент, зависящий от		0.9965
Перегрев прибора, К		7,83
Перегрев нагретой зоны, К		18,2
Средний перегрев воздуха в приборе, К		13,015
Перегрев окружающей среды элемента, К		13,015
Удельная мощность элемента,		1388
Перегрев поверхности элемента, К		18,2

Анализируя рабочие диапазоны температур элементной базы модуля, можно заметить, что температура наименее теплостойкого элемента составляет 70°С, что значительно выше рассчитанных показателей. Следовательно тепловой режим разрабатываемого прибора находится в норме, а выбор способа охлаждения прибора сделан верно и необходимость в дополнительной теплозащите отпадает.

3. Расчет резьбовых соединений крепления платы

3.1 Расчет прочности винтов М4 (с учетом момента от массы всей конструкции)

Расчет проводился в программе MatCad 14. Так как данная версия программы плохо экспортируется в формат Word, то результаты из MatCad 14 перенабраны с экрана в ручном режиме.

Винты М4 нагружены равномерно. Рабочее усилие приложено симметрично относительно оси симметрии расположения винтов.

Количество крепежных отверстий z = 4 шт.;

Количество винтов i = 4 шт.

Диаметры резьбы винта согласно ГОСТ 24705-81:

d=4 мм - наружный диаметр резьбы;

d1=3.141 мм - внутренний диаметр резьбы;

d2=3.545 мм - средний диаметр резьбы.

3.2 Расчет усилий, действующих в стыке

Возможность раскрытия стыка устраняется затяжкой винтов.

Определим площадь стыка и момент сопротивления изгибу стыка.

Площадь стыка Аст=а1?b1, где а1=65мм, b1=50мм.

Аст=3250 мм².

Момент сопротивления изгибу W=a1?b1/6 и составляет W=3 мм³.

Определим напряжение в стыке от нагрузки.

Считаем осью поворота ось симметрии стыка.

sF = G/Аст

sF = 0,001351 Н/мм²;

sм = Мизг/W

sм = 0.0095 Н/мм².

По условию нераскрытия стыка

зат> F+M

sF + sм = 0,0011 Н/мм²

Коэффициент запаса по нераскрытию стыка К=1,3...2. Принимаем К=2.

sзат = К?(sF + sм)

sзат = 0,0022 Н/мм².

Из вычислений видно, что зат> F+M (0,002>0,001), и, следовательно условие нераскрытия стыка выполняется. Винты следует затягивать с силой Fзат =sзат?Аст/i, составляющей Fзат = 17,606 Н.

3.3 Расчет на прочность винта М4 40Х

Механические характеристики материала винта - Сталь 40Х ГОСТ 4543-71: sт =800 Н/мм² и sв = 1000 Н/мм².

1. Определим площадь сечения стержня винта:

А = p?d²/4

А = 12,57 мм².

Определим напряжение затяжки:

s0 = Fзат/А

s0 = 0,26 Н/мм².

Напряжение затяжки находится в пределах s0 < 0,6?sт

Условие выполняется 0,6?sт = 480 Н/мм².

2. Определим напряжения растяжения в резьбовой части винта.

Определим площадь резьбовой части винта:

А1 = p?d1²/4

А1 = 7,75 мм².

Напряжение растяжения в резьбовой части винта

s1 = G/А1

s1 = 0,84 Н/мм².

3. Определим напряжения растяжения в стержне винта:

sс = G/А

sс = 0,52 Н/мм².

4. Для определения напряжения кручения вычисляем момент, закручивающий болт при затяжке.

М = 0,5? Fзат?d2?[(S/p?d2)+f],

где S = 1, f = 0.2 (справочные данные).

М = 1,33 Н*мм.

5. Определим касательное напряжение в резьбовой части винта:

t1 = М/(0,2?d1³) t1 = 0.21 Н/мм².

6. Определим касательное напряжение в стержне винта:

tс = М/(0,2?d³) tс = 0.10 Н/мм².

Для проверки стержня винта на перекручивание при затяжке необходимым условием является

sпер с = (s0)² + 3?(t1)²

s_перс = 0,20 Н/мм² <0.8sт, ( 0,8sт = 640 Н/мм²)

т.е. напряжение затяжки в пределах допускаемого значения.

7. Определим эквивалентные напряжения в резьбовой части винта:

sрез = (s1)² + 3?(t1)²

sрез = 0,92 Н/мм²

8. Определим эквивалентные напряжения в стержне винта:

sс экв = (sс)² + 3?(tс)²

sс экв = 0,30 Н/мм²

9. Определим коэффициент запаса прочности по пластическим деформациям в резьбовой части винта при sт1= 1,1sт = 880 Н/мм²:

nt р = sт1/sрез nt р = 956

10. Определим коэффициент запаса прочности по пластическим деформациям в стержне винта:

nt с = sт1/sс экв nt с = 2900

Коэффициент запаса прочности можно признать удовлетворительным, так как больше n_{t c}=1.3.

11. Определим коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению в резьбовой части винта при sв1= 1,1sв = 1100 Н/мм²:

nв р = sв1/sрез nв р = 1190

12. Определим коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению в стержне винта:

nв с = sв1/sс экв nв с = 3650

Коэффициент запаса прочности можно признать удовлетворительным, так как больше n_вc=1.3.

3.4 Расчет на срез резьбы в корпусе

1. Материал винта - Сталь 40, материал корпуса - сплав Д16.

2. Определим силу, вызывающую срез витков резьбы в корпусе.

Fср = p?d1?k₀?H?k_m?tср,

где tср = 0,6?sв

Для сплава Д16 sв = 460 Н/мм² следовательно tср = 276 Н/мм²;

Коэффициент полноты резьбы составляет k₀ = 0,87;

Длина резьбовой части винта составляет Н = 5 мм;

k_m = 0,7 - коэффициент, учитывающий характер изменения деформации витков по высоте внутренней резьбы в корпусах при наличии в резьбе пластических деформаций.

Fср = 8293 Н.

Сравним полученную величину с силой G действующей на конструкцию.

Fср > G (Fср = 8293Н > G = 6,5 Н).

Из этого можно сделать вывод, что резьба в корпусе выдержит нагрузку действующую на нее.

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы сделано следующее:

- приведено описание электрической принципиальной схема блока преобразования прибора;

- проведены конструктивные расчеты платы блока преобразования прибора:

- расчет элементов печатного монтажа ;

- расчеты массово-габаритных размеров размещаемых элементов и размеры и масса платы;

- проведена оценка вибропрочности и теплового режима для платы, размещенной в приборе.

- проведен расчет резьбовых соединений крепления платы: расчет на срез резьбы в корпусе; расчет на прочность винта М4 40Х, расчет усилий, действующих в стыке.

Таким образом, в результате выполнения данной курсовой работы была разработана плата монтажная блока преобразования и вычисления учета газа на ГРП технологического объекта

Библиографический список

1. ГОСТ 2.206-96. Текстовые документы.

2. ГОСТ 2.105-95. Общие требования к текстовым документам.

3. ГОСТ 2.004-88. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических устройствах вывода ЭВМ.

4. ГОСТ 2.109-73. Основные требования к чертежам.

5. ГОСТ 7.1-84 СИБИД. Библиографическое описание документа. Общие требования и правила составления.

6. ГОСТ 7.32-2001 СИБИД. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.

7. ГОСТ 7.9-95 (ИСО 214-76) СИБИД. Реферат и аннотация. Общие требования.

8. ГОСТ 7.54-88 СИБИД. Представление численных данных о свойствах веществ и материалов в научно-технических документах. Общие требования.

9. ГОСТ 8.417-2003. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы физических величин.

10. ГОСТ Р 27.002-2009 (ГОСТ Р 53480-2009), - Надежность в технике. Термины и определения.

11. ГОСТ 30.001-83. Система стандартов эргономики и технической эстетики. Основные положения.

12. Импульсные и цифровые устройства/Ю. А. Браммер, И. Н. Пащук-М.: Высшая школа,2003-с.352. ISBN: 5-06-004354-1.

13. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА / Белинский В.Т., Гондол В.П., Грозин А.Б. и др.; Под ред. Круковского-Синевича К.Б., Мазора Ю.Л. -- К: Вища школа, 1992. -- 494 с.

14. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах./ Сташин В.В. и др. / - М.: Энергоатомиздат, 1990. -- 224 с.

15. Расходомеры и счетчики количества веществ. Книга 1/Кремлевский П.П.- СПб.: Политехника, 2002 - с. 409.

16. Расходомеры и счетчики количества веществ. Книга 2/Кремлевский П.П.- СПб.: Политехника, 2004 - с. 412.

17. Расходомеры, преобразователи, счетчики. Челябинск.: Метран, 2007 - с. 368.

18.Расходомеры и счетчики. Н. Новгород.: Повольжье,2012 - с. 351.

19. Федотов А.В. Основы теории надежности и технической диагностики, М.:ОГТУ, 2010-- 287 с.

20. Шило В.Л. Популярные микросхемы ТТЛ. М., Аргус, 1993, ISBN 5-85549-004-1.

21. Шишмарев В.Ю. Надежность технических систем, М.: Академия, 2010 - 304 с.

22. Шупейко И.Г. Инженерно-психологическое проектирование средств информационного взаимодействия для систем «человек-машина»: Учебное пособие по курсу «Инженерная психология» для студентов всех специальностей.- Мн.: БГУИР, 1998.

23. Ямпурин Н. П., Баранова А.В. Основы надежности электронных средств., М.: Академия, 2010-240 с.

24. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, диоды импульсные, оптоэлектронные приборы: Справочник/ А.Б. Гитцевич, А.А. Мокряков и др. - М.: Радио и связь, 1989. - с. 592 с.

Размещено на Allbest.ru