IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Для проверки физико-механических характеристик, надежности, быстродействия и других параметров датчиков зачастую приходится проводить технически сложные и дорогостоящие испытания. Расчеты указанных параметров датчико-преобразующей аппаратуры (ДПА) аналитическим методом, проводимые до испытаний, в большинстве своем занимают месяцы и требуют от сотрудников специализированных навыков, поэтому провести аналитический расчёт сборочной единицы сложной конфигурации перед проведением дорогостоящих испытаний затруднительно.

Современный подход к решению данной задачи предполагает использование синтеза CALS-технологий и систем автоматизированного проектирования (САПР). Данный подход заключается в построении компьютерной 3D-модели и проведении исследований с применением методов инженерного анализа.[1,2] Методы инженерного анализа основаны на построении адекватной математической модели объекта и предусматривают расчёт динамических или статических режимов воздействия внешних факторов при помощи численных методов (чаще всего, метода конечных элементов). Кроме того, имитационное моделирование позволяет учитывать влияние комплексного воздействия внешних факторов, таких как давление, тепло, электрический ток и т.д., что в аналитическом расчете невозможно. Такие методы анализа позволяют определить оптимальные конструктивные и схематические параметры будущего изделия.

Одним из примеров применения имитационного моделирования является автоматизация методов определения времени термической реакции датчика, предназначенного для измерения температуры жидких и газообразных сред: кислорода, водорода, гелия, воздуха, воды и керосина, посредством использования программного обеспечения SolidWorks. [3] Температура нагрева или охлаждения корпуса датчика, приведенного в качестве примера, от воздействия жидкой или газообразной среды измеряется термопреоброзователем сопротивления из платины, который закреплен внутри корпуса специальным клеем. Для определения времени термической реакции, т.е. быстродействия датчика температуры с таким преобразователем согласно ГОСТ 6651-2009 (п.8.10) необходимо:

- проводить натурные испытания с использованием водяного термостата с хорошим перемешиванием, обеспечивающим условия работы датчика;

- проводить расчет значения сопротивления, соответствующий заданному проценту (10 %, 50 %, 63,2 %, 90 %) разницы сопротивлений датчика в термостате и на воздухе;

- зафиксировать момент времени, соответствующий заданному значению. [4]

Для имитации работы датчика температуры была создана твердотельная модель (рисунок 1), построенная в программной среде SolidWorks, состоящая из корпуса (материал – нержавеющая сталь), печатной платы, специального клея и чувствительного элемента (материал – платина). Для расчета быстродействия, осуществляемого с применением метода конечных элементов на базе модуля Simulation [5] использовались следующие физико-механические характеристики материалов: плотность ρ, модуль упругости 2-ого рода E, предел текучести σ_в, коэффициент Пуассона μ, тепловой коэффициент линейного расширения (ТКЛР) и удельная теплопроводность [6].

Рис. 1. Твердотельная модель датчика температуры

Получение достоверных результатов расчета напрямую зависит от корректного задания граничных условий. Граничные условия, представленные на рисунке 2, соответствуют реальным условиям работы датчика, обеспечивают имитацию нагрева до температуры 300 ºС и охлаждения датчика до минус 253 ºС, а также имитацию нагрева до 70 ºС, удовлетворяя условиям определения быстродействия датчика по п.8.10 ГОСТ 6651-2009, согласно которому время термической реакции – это время, за которое элемент чувствительный достигнет температуры 63 ºC (температуры, равной 90 % от 70 ºС).

Рис. 2. Схема задания граничных условий

Использование теплопередачи в твердых телах в модуле Simulation программы SolidWorks осуществляется на основании закона [7]:

,

где , c – удельная теплоемкость, Дж/(кг · ºС); Т - температура, ºС; λ – теплопроводность, Вт/(м · ºС ); Q_н – удельное (в единице объема) тепловыделение источника тепла.

Значения физико-механических характеристик используемых материалов соответствуют справочным данным [6, 8, 9].

В результате имитационного моделирования получены графики зависимости температуры чувствительного элемента (Т_чэ) от времени её воздействия (рисунок 3).

Рис. 3. График зависимости температуры чувствительного элемента от времени при воздействии на датчик температур 300 ºC, 70 ºС и минус 253 ºС.

Из рисунка 6 видно, что чувствительный элемент нагревается до температуры 300 ºC за 12 секунд и охлаждается до температуры минус 253 ºC за 14 секунд, а время термической реакции (Т_быстр), т.е. время нагрева чувствительного элемента до температуры, равной 63 ºC, составляет 3 секунды, что удовлетворяет требованиям по быстродействию датчика температуры. Для проверки точности результатов, полученных в термическом расчёте модуля Simulation программы SolidWorks, и верификации построенной имитационной модели датчика результаты проведенного моделирования сравнивались с экспериментальными данными, представленными в таблице 1.

Таблица 1 - Время нагрева чувствительного элемента

Время нагрева элемента чувствительного до температуры
Эксперимент		Моделирование
-253ºC	300ºC	-253ºC	300ºС
13 секунд	12,9 секунд	14 секунд	12 секунд

Сравнение результатов имитационного моделирования и экспериментальных данных показывает, что термический расчёт в модуле Simulation программы SolidWorks имеет высокую достоверность результатов. При этом максимальное расхождение с экспериментальными данными не превышает 7,2 %.

В результате проведенного имитационного моделирования датчика температуры разработан алгоритм определения быстродействия данного типа датчиков, позволивший путем автоматизации методов расчёта теплопередачи получить интересующие нас временные зависимости температурного воздействия и с помощью программного обеспечения SolidWorks снизить количество проведений дорогостоящих испытаний, а также значительно сократить затраты времени на разработку данного изделия и его аналогов. Используемый в статье современный подход к проектированию ДПА позволяет не только сократить время на разработку изделия на этапе эскизного проектирования, но и уменьшить количество проводимых корректировок и доработок конструкции на дальнейших этапах разработки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Имитационное моделирование чувствительного элемента датчика давления струнного типа Мусаев Р.Ш., Трофимов А.А., Фролов М.А. Датчики и системы. 2014. №7 С. 22-25.

2. Имитационное моделирование чувствительного элемента тензорезистивного датчика абсолютного давления. Мусаев Р.Ш., Трофимов А.А., Фролов М.А. Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. 2012. №2 С.51-55.

3. Алямовский А.А. SolidWorks компьютерное моделирование в современной технике. – СПб. : БХВ-Петербург, 2005.

4. ГОСТ 6651-2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Термопреобразователи сопротивления из платины, меди и никеля. Общие технические требования и методы испытаний. – Введ. 2011-01-01. – М.: Стандартинформ, 2011.

5. Алямовский А.А. COSMOSWorks. Основы расчета конструкций на прочность в среде SolidWorks. – М.: ДМК Пресс,2011.

6. Новицкий Л.А, Кожевников И.Н. Теплофизические свойства материалов при низких температурах.-М.: Машиностроение, 1982.

7. Алямовский А.А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике, – СПб. : БХВ-Петербург, 2005.

8. Борисова А.К., Грацианова С.С. Прецизионные сплавы с особыми свойствами теплового расширения и упругости. – М., Издательство стандартов, 1972.

9. Тихонов Л.В., Кононенко В.А. Механические свойства металлов и сплавов. – Киев: Наукова Думка, 1986.

5

Код для цитирования: Скопировать