Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния исследований в области теплового проектирования акселерометров 11
1.1 Состояние развития линейных акселерометров 11
1.1.1 Акселерометры прямого действия 12
1.1.2 Акселерометры уравновешивающего преобразования 14
1.1.3 Акселерометры с магнитоэлектрическим уравновешиванием 15
1.1.4 Акселерометры с электростатическим уравновешиванием 16
1.2 Анализ современного состояния исследований и методов расчета температурных полей РЭА 18
1.2.1 Метод схематизации процессов теплообмена внутри нагретой зоны 19
1.2.2 Приближенный численный метод расчета температурных полей инерциальных датчиков 21
1.3 Обзор методов численного решения нестационарных уравнений в частных производных 24
1.3.1 Метод конечных разностей 25
1.3.2 Метод конечных элементов 27
1.4 Обзор и классификация математических моделей, используемых при проектировании средств измерений 28
1.5 Функциональная модель проектирования надёжных радиоэлектронных устройств 33
1.6 Обзор методов оптимизации математических моделей 35
1.7 Выводы 41
Глава 2. Разработка методики расчёта тепловых полей микромеханических акселерометров 42
2.1 Определение класса исследуемого устройства 42
2.2 Алгоритм численного определения теплового поля датчика 43
2.3 Методика теплового расчета электронной части акселерометра 44
2.3 Определение температуры среды в области измерения 50
2.4 Расчёт температурной чувствительности тензорезисторного преобразователя 53
2.5 Определение температурных перепадов в микромеханическом чувствительном элементе акселерометра 61
2.6 Определение температурного дрейфа в структуре измерительного канала акселерометра 65
2.7 Расчет сопротивления регулирующего резистора датчика температуры акселерометра 70
2.8 Выводы 77
Глава 3. Разработка комплекса программ, реализующего предложенные алгоритмы 78
3.1 Разработка алгоритмов 78
3.2 Выбор языка программирования 80
3.3 Программная реализация разработанных алгоритмов 84
3.4 Состав и применение программного комплекса 85
3.5 Выводы 94
Глава 4. Экспериментальные исследования разработанного комплекса программ 95
4.1 Методика проведения эксперимента 95
4.2 Контроль эффективного значения пульсаций выходного напряжения и тока потребления измерительного канала 100
4.3 Проведение испытаний на воздействие изменений температуры окружающей среды на тензорезисторный измерительный мост 107
4.4 Проведение испытаний на воздействие изменений температуры окружающей среды на чувствительный элемент прибора 111
4.5 Испытания на воздействие изменений температуры окружающей среды 114
4.6 Расчет сопротивления регулирующего резистора 120
4.7 Выводы 125
Заключение 126
Список сокращений 128
Список литературы 129
Приложение 137
- Анализ современного состояния исследований и методов расчета температурных полей РЭА
- Определение температуры среды в области измерения
- Состав и применение программного комплекса
- Проведение испытаний на воздействие изменений температуры окружающей среды на чувствительный элемент прибора
Введение к работе
Актуальность темы. Поиск и разработка эффективных численных методов, математических моделей, алгоритмов и реализация новейших информационных технологий в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для решения задач оптимизации и проведения вычислительных экспериментов являются актуальными для различных сфер производственной деятельности, в том числе при создании новых образцов изделий ракетно-космической техники.
Традиционная технология проектирования акселерометров, основанная на стендовых испытаниях, устарела. Испытания, не интегрированные с расчетными экспериментами, малоинформативны (из-за невозможности установить датчики во многих точках конструкции) и не позволяют провести исследования в критических режимах работы изделия из-за риска его разрушения.
В этой связи большое внимание сегодня уделяется разработке и внедрению методов теплофизического проектирования.
Существенный вклад в развитие этого научного направления внесли Г. М. Кондратьев, Г. Н. Дульнев, А. Ф. Чудновский, В. А. Осипо-ва, Н. Я. Ярышев и другие отечественные и зарубежные учёные.
Особое значение и роль тепловых процессов как части энергетической подсистемы в низкочастотных линейных акселерометрах состоят в том, что тепловые процессы во многом определяют не только точность, но и такие важные характеристики, как долговечность и время готовности. Для современных акселерометров существенны изменения абсолютной температуры на уровне единиц градусов, внутренние градиенты температуры порядка (0,1-1) С и стабильность температур различных элементов на уровне (0,01-0,1) С.
Сложность краевой задачи, возникающей в общем случае, при расчетах и анализе температурного поля акселерометров (с учетом различных видов теплообмена, наличия несимметричных источников тепловыделения, разнородной многокомпонентной структуры, особенностей крепления и условий теплообмена с внешней средой и т. п.), не позволяет применить к ее решению традиционные аналитические методы, принятые в задачах теплопроводности.
Поэтому актуальной является задача реализации комплексного подхода к процессу проектирования акселерометров на всех этапах с учетом всех физических характеристик, а также обеспечения разработчика средствами, позволяющими проводить экспресс-анализ для получения предварительных результатов.
Цель работы - повышение эффективности процесса проектирования, сокращение сроков и стоимости создания низкочастотных линейных акселерометров за счёт применения комплекса программ, реализующего разработанные алгоритмы и методики расчета нестационарных тепловых полей.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:
Анализ существующих методов и алгоритмов расчета температурных полей радиоэлектронных устройств для получения обобщённого алгоритма функционирования специализированного проблемно-ориентированного комплекса программ.
Теоретическое обоснование методики определения температурного поля акселерометров различных конструкций.
Теоретическое обоснование методики термокомпенсации коэффициента преобразования прецизионных акселерометров на основе решения уравнения, в составе которого представлена функция преобразования термокомпенсирующей цепи акселерометра.
Автоматизация процессов определения температурных полей низкочастотных микромеханических акселерометров.
Проведение сравнительного анализа результатов расчетов по предлагаемым методикам с результатами стендовых испытаний.
Методы исследования. В качестве теоретических методов используются методы математического моделирования и вычислительного эксперимента, численные методы решения дифференциальных уравнений и систем уравнений, математического программирования, теории алгоритмов. Для программной реализации применяются методы создания программных систем, методы оптимизации программных комплексов, объектно-ориентированный подход и программирование на языках высокого уровня.
Научная новизна работы:
Новый алгоритм функционирования специализированного проблемно-ориентированного комплекса программ, предназначенного для проведения комплексного анализа тепловых процессов в низкочастотных микромеханических акселерометрах.
Новая методика определения температурного поля акселерометров различных конструкций, позволяющая исследовать наиболее термочувствительные подсистемы прибора.
Новая методика расчета номинального сопротивления регулирующего резистора, основанная на решении (в общем виде) уравнения, в составе которого представлена функция преобразования тер мокомпенсирующей цепи акселерометра.
Новый алгоритм определения температурных полей низкочастотных микромеханических акселерометров, позволяющий учитывать характер реакции каждого функционального элемента акселерометра на тепловое воздействие.
Достоверность. Представленные в работе результаты и выводы, полученные при проведении вычислительных экспериментов, подтверждаются сравнением расчетных данных с измерениями, полученными на серийных образцах линейных акселерометров. Достоверность полученных аналитических соотношений, описывающих тепловые процессы в темнературно-возмущенных датчиках, подтверждается использованием апробированных положений тепломассообмена.
Практическая ценность:
1. На основе разработанных алгоритмов создан комплекс программ, предназначенный для проведения комплексного анализа тепловых процессов в акселерометрах. С помощью него осуществляется расчет стационарных и нестационарных тепловых режимов конструкций акселерометров при различных условиях но заданным тен-лофизическим параметрам конструкции; установленных в приборе конструктивных узлов, элементов, а также определенных конструктором граничных условий; решение системы уравнений и вывод результатов в удобной для дальнейшего анализа форме.
Разработанный комплекс программ позволяет повысить качество проектных решений, способствует повышению эффективности работы исследователя и получению более качественных и точных результатов, а также позволяет сократить количество циклов температурной отладки при производстве каждого прибора.
Модули пакета программ реализованы на языке C++ и оптимизированы по критерию минимума показателя вычислительной сложности, при этом простота и вычислительная эффективность предложенных методов обеспечивают обработку экспериментальных данных в режиме реального времени.
Реализация результатов. Результаты исследований и комплекс программ внедрены в ОАО «НИИФИ» (г. Пенза) и используются при производстве акселерометров АЛЕ 055, а также при разработке новых поколений прецизионных низкочастотных акселерометров; внедрены в учебный процесс на кафедре КиПРА ПГУ, что подтверждается актами внедрения.
На защиту выносятся:
Алгоритм функционирования специализированного проблемно-ориентированного комплекса программ, реализующий комплексный подход к анализу тепловых процессов в низкочастотных микромеханических акселерометрах.
Методика расчета тепловых полей микромеханических акселерометров, отличающаяся от ранее известных тем, что в ней прибор рассматривается в виде совокупности термочувствительных элементов, наиболее влияющих на его функционирование.
Методика расчета номинального сопротивления регулирующего резистора датчика температуры акселерометра, отличающаяся от ранее известных тем, что в ней сопротивление регулирующего резистора рассчитывается путём решения в общем виде уравнения, в составе которого представлена функция преобразования термокомпен-сирующей цепи.
Алгоритм определения температурных полей низкочастотных микромеханических акселерометров, позволяющий учитывать харак-
тер реакции каждого функционального элемента акселерометра на тепловое воздействие.
5. Программный комплекс, реализующий разработанные методики и алгоритмы, позволяющий разработчику в кратчайшие сроки подобрать оптимальные параметры конструкции каждого элемента прибора, не проводя дополнительных натурных испытаний, прогнозировать поведение прибора в различных температурных условиях.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2007 г.) и на ежегодных научно-технических конференциях НИИФИ «Датчики и системы» (г. Пенза, 2007, 2008, 2009 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано десять печатных работ, из них одна работа в журнале, включенном в перечень научных и научно-технических изданий ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, изложена на 135 страницах, содержит 26 рисунков, 12 таблиц, список использованных источников составляет 81 наименование.
Анализ современного состояния исследований и методов расчета температурных полей РЭА
Температурное поле акселерометра зависит от многих факторов, а именно: мощности и распределения источников энергии; конструкции и габаритов прибора, системы его охлаждения; физических свойств материалов, из которых изготовлен датчик, условий его эксплуатации [77]. Зависимость поля температур акселерометра от перечисленных факторов характеризует его тепловой режим.
Сложность возникающей в общем случае при расчетах и анализе температурного поля акселерометров, используемых в приборах космической телеметрии с учётом:
- статико-динамического режима работы;
- жестких требований к метрологическим, массогабаритным и энергетическим характеристикам;
- воздействия жестких климатических факторов (в том числе экстремальные колебания температуры окружающей среды, в короткие промежутки времени, резкие изменения атмосферного давления).
- широкой номенклатуры диапазонов измерений (от ±0,0028 до ±2000 м/с"); - широкой номенклатуры частотных диапазонов измерений (от 0-2 до 0-1024Гц);
- воздействия однородных с измеряемым параметром вибрационных (до 400 м/с2) и ударных (до 25000 м/с2) нагрузок;
не позволяет применить к ее решению традиционные и новые аналитические методы, принятые в задачах теплопроводности [21, 28, 43, 44].
Не удаётся решить эту задачу и приближёнными численно-аналитическими методами.
В силу описанных выше причин задача расчёта температурного поля рассматриваемого класса приборов может быть решена путём применения численных методов [16, 19, 20, 26, 31] с использованием современных ЭВМ.
После проведённого автором анализа, было определено, что для рассматриваемого класса приборов наиболее отвечают поставленным целям и требованиям (простота реализации, надёжность, трудоёмкостью, универсальность и др.) следующие методики расчета тепловых полей:
Сущность этого метода состоит в том [15, 16, 17], что прибор принимают за одно тело с изотермической поверхностью (нагретую зону), для которого и проводится расчет теплового режима. В зависимости от конструкции радиоэлектронного аппарата в нем могут быть выделены одна или несколько нагретых зон. С помощью этого метода определяют среднеповерх-ностную температуру нагретой зоны.
Расчет теплового поля рекомендуется проводить в три этапа.
На первом этапе определяются среднеповерхностные температуры плат с расположенными на них радиодеталями, корпуса и температура воздуха внутри радиоэлектронного аппарата.
На втором этапе, используя результаты первого этапа, определяются среднеповерхностные температуры корпусов элементов. На третьем этапе определяются максимальные температуры критических зон элементов и их функциональные связи со среднеповерхностной температурой как корпусов, так и плат. С помощью этого метода определяют среднеповерхностную температуру нагретой зоны.
Конструкторов, как правило, интересуют температуры не всех деталей, а только наиболее нагруженных, число которых в аппарате может быть ограничено, что недопустимо при моделировании тепловых процессов в измерительных приборах или приборах космической навигации в связи с возможным существенным влиянием менее нагруженных элементов и свойств (температуры и давления) окружающей среды на напряжённо-деформационное состояние чувствительного элемента.
Очевидно, что температура отдельной детали будет зависеть как от параметров, определяющих среднюю температуру нагретой зоны, так и от взаимного расположения источников тепловой энергии (диодов, сопротивления, трансформаторов и т. п.), стоков тепловой энергии (трубок с охлаждающей жидкостью, полупроводниковых холодильников и т. п.), а также деталей, тепловые потери в которых равны или близки нулю (элементы крепежа, проводники, экраны, конденсаторы и т. п.), а также положения рассматриваемой детали на шасси. Если в аппарате имеется п источников тепла, то для определения температуры к-ои детали можно воспользоваться приемом суперпозиции температурных полей: вначале рассчитать температуру t шасси в месте расположения к-ой детали при действии всех остальных источников энергии, затем к этой температуре прибавить перегрев, возникающий в результате действия источника в рассматриваемой детали.
Перегрев в точке j можно представить в виде суммы перегревов, возникающих при действии каждого источника: При таком подходе к решению задачи можно точнее отразить сложную картину теплового взаимодействия всех деталей, однако сам процесс вычисления в большинстве случаев оказывается чрезвычайно трудоемким.
На момент создания метода, численное решение нестационарных уравнений, как правило, осуществлялось на пределе возможностей вычислительной техники, поэтому, используя наколенный опыт ускорения расчётов на современных ЭВМ [16, 23, 42, 48, 68], рассматриваемая методика представляет значительный интерес.
Определение температуры среды в области измерения
Особенностью функционирования акселерометров и в целом приборов ракетно-космической телеметрии является то обстоятельство, что в измеряемом зазоре происходит интенсивное изменение теплового потока в течение короткого времени. При этом согласно условиям эксплуатации и [33, 58, 69], температуры в измеряемом зазоре за малое время (несколько секунд) могут достигать значительных величин (100 - 200) С. Поэтому необходимо исследовать, как такие интенсивные изменения теплового потока повлияют на температурное поле датчика и, в конечном итоге, на его работу [27].
Изменение теплового потока во времени проявляется в том, что происходит изменение температуры среды в измеряемом зазоре.
Поэтому для решения рассматриваемой задачи необходимо исследовать зависимости от времени температуры среды в измеряемом зазоре.
Для решения рассматриваемой задачи автором предложено использовать метод преобразования экспоненциально-линейной аналитической зависимости теплового потока от времени в кривую зависимости от времени температуры среды в измеряемом зазоре, разработанный Трофимовым А.А. Будем предполагать, что изменение температуры в зазоре выражается экспоненциально-линейной аналитической зависимостью[12]: где Q(t) - нестационарная мощность осредненного теплового потока; S - площадь контакта среды в измеряемом зазоре с датчиком; Ах,А2,а - задаваемые параметры зависимости теплового потока от времени; tx,t2,t - задаваемые моменты времени. Будем также полагать, что теплоотдача от среды в измеряемом зазоре в окружающую среду отсутствует в силу малого времени переходных процессов (несколько секунд). Тогда уравнение тепловых балансов для температуры среды T(t) в измеряемом зазоре примет вид: cf(t) = Q(t)i где с - теплоемкость среды в измеряемом зазоре.
Пусть имеют место следующие начальные условия: 7X0) = Г0. Тогда задача определения изменения температуры среды T(t) в измеряемом зазоре сводится к решению уравнения тепловых балансов (2.21) при определенных начальных условиях (2.22) и с учетом закона изменения мощности теплового потока (2.20).
1) Интервал времени 0 / /,.
Варьируя задаваемые параметры Ах,А2,а и задаваемые моменты времени tx,t2,t2, можно получать различные виды экспоненциально - линейной зависимости мощности теплового потока в измеряемом зазоре. А варьируя задаваемый параметр с, можно изменять параметры Тх, Т2 температуры в измеряемом зазоре, корректируя, тем самым, внешнее тепловое воздействие на акселерометр.
Полученные формулы (2.21), (2.26), (2.28) определяют нестационарное изменение температуры в измеряемом зазоре, соответствующее заданному закону (2.20) изменения мощности теплового потока в измеряемом зазоре.
Для создания методики расчёта температурной зависимости тензорези-сторного преобразователя автором были использованы результаты исследований параметров измерительных мостов, проведённых Зеленцовым Ю.А.
Из традиционных методов преобразования физических величин в электрический сигнал: тензорезисторный, емкостной, индуктивный, пьезоэлектрический - тензорезисторный метод является одним из широко используемых. Он нашел применение еще в 30-е годы [18], а в последнее время получил наиболее массовое распространение. Метод обладает вы 54 сокой линейностью преобразования, отличается простотой конструкторских решений и надежностью в эксплуатации. Измерительная цепь, реализующая тензорезисторныи метод, состоит из тензорезисторного датчика (ТД), преобразующего входной физический параметр в электрический сигнал, и нормирующего преобразователя (НП), преобразующего сигнал низкого уровня в стандартный унифицированный выходной сигнал. Измерительную цепь, состоящую из последовательно соединенных ТД и НП, называют тензорезисторным преобразователем (ТП) (см. рисунок 2.1) [25].
Состав и применение программного комплекса
Для реализации разработанных алгоритмов численного определения температурного поля акселерометров различных констркукций, обработки полученных числовых данных, включая их визуализацию путем построения графиков нестационарных значений температур в расчетных точках и температурных полей по объему прибора, разработан и адаптирован к вычислительной среде персональных компьютеров программный комплекс, составленный на алгоритмическом языке C++ [52, 53, 54, 55].
Общий объем программного комплекса, включая исходные и исполняемые модули и файлы баз данных, не превосходит 10 Mb.
Для работы комплекса (с возможной последующей обработкой полученных данных графическими и текстовыми средствами обработки информации среды Windows) минимальными требованиями, предъявляемыми к компьютеру, являются:
1. Основной модуль «Моделирование теплового поля», позволяющий выбрать необходимое приложение. Этот программный модуль содержит ссылки на следующие подпрограммы комплекса: - Тепловой режим акселерометра.
- Тепловой режим чувствительного элемента.
- Температура в измеряемом зазоре.
- Дрейф тензорезисторного моста.
- Дрейф измерительного канала.
Тепловой режим акселерометра
Тепловой режим чувствительного элемента
Температура в измеряемом зазоре Расчёт тензорезисторного моста
ДрейФ измерительного канала
Расчёт сопротивления регулирующего резистора
Рисунок.З. 3 Основной модуль программы.
2. Модуль «Тепловой режим акселерометра», осуществляющий по разработанным алгоритмам численный расчёт температурного поля прибора в заданном числе расчетных точек. Этот программный модуль содержит две закладки, позволяющие переходить от одной части модуля к другой. Первая закладка содержит сгруппированные по функциональной принадлежности формы для ввода теплофизических параметров прибора: - Внутренние размеры корпуса (горизонтальные и вертикальные);
- Внешние размеры корпуса (горизонтальные и вертикальные);
- Суммарная мощность преобразователя (напряжение и сила тока);
- Давление среды (снаружи и внутри корпуса прибора);
- Интервал изменения температуры среды, окружающей акселерометр;
- Интервал времени;
- Размеры плат (горизонтальные и вертикальные);
- Размеры тепловыделяющих элементов (вместе с радиатором);
- Мощности элементов.
Вторая закладка содержит результаты расчёта теплового режима акселерометра, позволяющие разработчику провести анализ следующих параметров:
- Температура корпуса прибора;
- Температура поверхности элемента, имеющего максимальную температуру;
- Температура воздуха внутри акселерометра;
- Температура среды, окружающей рассматриваемый элемент;
- Средняя температура «нагретой зоны»;
- Темп охлаждения системы;
- Термическая инерция системы,
а также графики функций зависимостей наиболее важных на данном этапе разработки прибора (характер зависимости термической инерции системы от температуры окружающей прибор среды и зависимость средней температуры внутри корпуса от давления среды), что позволяет пользователю принять решение о дальнейшей доработке конструкции в случае не соответствия расчётных параметров техническому заданию.
3. Модуль «Тепловой режим чувствительного элемента» решает задачу аналитического исследования возможных температурных перепадов в микромеханическом чувствительном элементе акселерометра.
Зависимость пе-регрева корпуса от у„елы ои мопласти
Вторая закладка «Таблица результатов» модуля «Тепловой режим акселерометра».
Для этого в основном окне модуля расположены поля ввода данных, необходимых для описания тепловой модели чувствительного элемента акселерометра:
1) Толщина опорного элемента, прослойки клея, стеклянной пластины. 2) Теплопроводность опорного элемента, прослойки клея, стеклянной пластины.
3) Температурный перепад и теплоёмкость среды.
4) Площадь контакта пластины и опорного элемента, площадь контакта пластины с окружающей средой.
5) Давление среды (снаружи и внутри корпуса акселерометра).
6) Коэффициенты теплоотдачи в окружающую среду излучением и свободной конвекцией.
Также окно содержит кнопки выбора направления теплового потока (перпендикулярно или вдоль плоскости чувствительного элемента акселерометра), после ввода данных на экран монитора выводится значение температурного перепада среды в области чувствительного элемента и графики функций зависимости температурного перепада от различных теплофизиче-ских параметров, что позволяет разработчику оценить предполагаемый тепловой режим разрабатываемой конструкции чувствительного элемента.
Проведение испытаний на воздействие изменений температуры окружающей среды на чувствительный элемент прибора
Для исследования возможных температурных перепадов в микромеханическом чувствительном элемента акселерометра были проведены испытания на чувствительном элементе акселерометра АЛЕ 057 [50, 53].
Эскиз чувствительного элемента показан на рис. 4.7.
Эскиз крепления чувствительного элемента в корпусе акселерометра: 1 -стеклянные пластины; 2 - проводящая обкладка неподвижной пластины; 3 — опорный элемент из кремния; 4 - незащемленная часть опорного элемента; 5 - упругая перемычка; 6 — подвижная кремневая пластина (инерционный элемент); 7 - выступ; 8 — корпус акселерометра; 9 — паз в основании корпуса, заполненный клеем
Измеряя выходное напряжение катушки обратного магнитоэлектрического преобразователя чувствительного элемента, установленного горизонтально измерительной осью, затем поворачивая элемент на ±90 градусов при различных значениях температуры в камере, были поучены экспериментальные данные, приведённые в таблице 4.6. начальный уровень +90 град. 0 град. -90 град.
Kt=50 мВ Таблица 4.6 выходное напряжение катушки обратного магнитоэлектрического преобразователя акселерометра
Затем на компьютере был смоделирован режим работы чувствительного элемента с параметрами, полученными из экспериментальных данных (рисунок 4.8).
Из результатов компьютерного моделирования следует, что значения коэффициентов термопроводимости q,qcX,qc2, рассчитанные для реальных параметров конструкции чувствительного элемента акселерометра характеристик теплообмена с окружающей средой, показывают, что величина безразмерного коэффициента q0 имеет порядок qQ «КГ -КГ2. Поэтому внешние по отношению к чувствительному элементу перепады температуры (а, в силу малых размеров чувствительного элемента и особенностей его установки в акселерометре, они не превышают единицы градусов) вызывают температурные перепады в чувствительном элементе меньше на один или два порядка.
Абсолютная же температура чувствительного элемента акселерометра, как показало проведенное математическое моделирование, результаты которого приведены выше, практически полностью отслеживает температуру дна корпуса, к которому он прикреплен.
В свою очередь, дно корпуса имеет хорошую тепловую связь с основанием, на котором крепится акселерометр, и температура которого совпадает с температурой окружающей среды. А поскольку температура окружающей среды изменяется в весьма широком диапазоне Тс =(-65 - +65) С, то и температура чувствительного элемента изменяется примерно также.
Таким образом, можно считать, что для ЧЭ акселерометра данной конструкции несущественны температурные градиенты, направленные перпендикулярно или вдоль его плоскости, и существенны изменения абсолютной температуры окружающей среды в пределах своего диапазона.
Задаваемое параметры Заеиси»»СТЬ Температуры» jawp Qt MQffijwCTWTtnnDftar jnaTCsie Начальная температура (Град QїйМощность тел хрго потока 1КД») MIT" A2j5- АЗрИнтервалы времени [CenJ" ffo е рГ а рГ"П лошадь «онтаета [МЛ31 Теплоемкость срелы 1 ДжЛи"грзд1{сГзТз 4Q1 :00"0 / 4 6 9 ЮЗависимость температуры в мэоре от моп дсти теплового потев а г Расчет ДТЬ іг 1ч їв іа гВрем (См) Зависимость температуры t звюре от мощности теплового потока D
Соответствие результатов испытаний проведённых на чувствительном элементе акселерометра АЛЕ 055 и результатов компьютерных расчётов, позволяет утверждать, что использование комплекса программ, разработанного автором позволяет частично заменить реальный эксперимент виртуальным, что в свою очередь позволяет существенно сократить затраты на проектирование и испытание опытных образцов и дорогостоящей оснастки на пробные партии изделий.
Испытания на воздействие изменений температуры окружающей среды Для расчёта использовались следующие исходные данные [12, 13, 18, 33]:
- диапазон изменения температуры окружающей воздушной среды Тс = (-65 - +65) С;
- давление в окружающей датчик воздушной среде по отношению к нормальному атмосферному давлению Hs/H0=l;
- давление среды внутри датчика по отношению к нормальному атмосферному давлению варьируется в пределах Ну/Н0 = 0.001-1;
- источником внутреннего выделения тепла в акселерометре являются тепловыделяющие элементы электронных плат измерительного канала и блока питания, суммарная мощность которых не более 1.02 Вт.
Проведено математическое моделирование следующих основных тепловых режимов работы акселерометра АЛЕ055:
1-й режим.
В начальный момент все элементы базовой конструкции акселерометра считаются прогретыми до номинальной температуры Г„„„ = +20 С.
Температура окружающей среды, как снаружи, так и во внутренних полостях прибора и температура посадочного места, к которому крепится основание акселерометра, остается все время постоянной и равной номинальной температуре Тнт1 = Твс" тр = Т;шр ж = Т0СИ = +20 С.
Давление в окружающей акселерометр среде по отношению к нормальному атмосферному давлению Hs/H0—1. Давление среды внутри акселерометра по отношению к нормальному атмосферному давлению Ну/Н 0.0001 (внутренние полости датчика вакуумированы).
Включаются все источники тепла на электронных платах одновременно с максимально возможными значениями мощностей и производится расчет трехмерного, неоднородного, нестационарного температурного поля акселерометра. Расчет продолжается до установления постоянной температуры во всем приборе.
