Розробка безконтактного пристрою для вимірювання рівня рідини

Мороз, Назар Володимирович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7944

Full metadata record

DC Field	Value	Language
dc.contributor.advisor	Воробкало, Тетяна Василівна	-
dc.contributor.author	Мороз, Назар Володимирович	-
dc.date.accessioned	2026-03-12T10:35:49Z	-
dc.date.available	2026-03-12T10:35:49Z	-
dc.date.issued	2021	-
dc.identifier.uri	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7944	-
dc.description.abstract	Мета роботи – розробка безконтактного пристрою для вимірювання рівня рідини на основі ультразвукового датчика, який має діапазон вимірювальних відстаней – 0,5…10 м та два релейних виходи для підключення пристроїв автоматики.	uk_UA
dc.language.iso	uk	uk_UA
dc.subject	безконтактний вимірювач рівня рідини	uk_UA
dc.subject	ультразвуковий рівнемір	uk_UA
dc.subject	датчик темпиратури	uk_UA
dc.subject	мікроконтролер	uk_UA
dc.title	Розробка безконтактного пристрою для вимірювання рівня рідини	uk_UA
dc.type	Bachelor Thesis	uk_UA
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_172_Мороз_Воробкало.pdf Restricted Access		2.07 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show simple item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ
КАФЕДРА РАДІОТЕХНІКИ, ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ І
РОБОТОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
бакалавра
(освітній ступінь)

на тему: Розробка безконтактного пристрою для вимірювання рівня рідини

Виконав: студент 4 курсу, групи CКРТ-97
спеціальності
172 «Телекомунікації та радіотехніка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)
(освітня програма – «Радіотехніка та
робототехнічні системи»)
Мороз Н.В.
(прізвище та ініціали)
Керівник Воробкало Т.В.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Землянський О.М.
(прізвище та ініціали)

Черкаси – 2021 року
Черкаський державний технологічний університет
(назва вузу)
Факультет електронних технологій і робототехніки
Кафедра радіотехніки, телекомунікаційних і робототехнічних систем
Освітня програма Радіотехніка та робототехнічні системи
Спеціальність 172 – «Телекомунікації та Радіотехніка»

ЗАТВЕРДЖУЮ
Зав. кафедри РТРС
д.т.н., професор Палагін В.В.

« » 2021 р.

ЗАВДАННЯ
на дипломний проект (роботу) здобувачу освітнього ступеня
«бакалавр»
(назва ступеня)
Морозу Назару Володимировичу
(прізвище, ім'я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Розробка безконтактного пристрою для вимірювання рівня рідини

затверджена наказом по університету від « 19 » 02.2021 р. № 53/01
2. Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи) 11.06.2020 р.
3. Вихідні дані до проекту (роботи) робоча частота – 40 кГц , частота оновлення
показників – 2 Гц, діапазон вимірювальних відстаней – 0,5…10 м, абсолютна похибка
вимірювань – 1 см, кількість релейних виходів – 2, можливість віддалення датчика від
вимірювального блоку

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити)______
Вступ 1. Аналіз аналогічних пристроїв. 2. Розробка структурної схеми пристрою,
3. розробка та розрахунок принципової схеми пристрою. 4. охорона праці. Висновки.

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
Схема структурна, Схема електрична принципова, Друкована плата, Складальне креслення,
Плакат з охорони праці

6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються
Підпис, дата
Розділ Консультант завдання завдання
видав прийняв
1. Охорона праці Кожем’якін Олексій Сергійович

7. Дата видачі завдання
Керівник Т.В. Воробкало
(підпис) (ініціали, прізвище)
Студент Н.В. Мороз
(підпис) (ініціали, прізвище)

Календарний план
Пор. Назва етапів дипломного Т е р м і н виконання етапів П р и мітка
№ проекту (роботи) проекту (роботи)

1. Інформаційно-технічний пошук
11.01.2021
та огляд літератури
08.02.2021
3. Обґрунтування технічного завдання
22.02.2021
4. Розробка структурної схеми пристрою
29.03.2021
5. Розробка принципової схеми пристрою
10.04.2021
6. Розрахунок схеми
30.04.2021
7. Охорона праці
25.05.2021
8. Оформлення пояснювальної записки
11.06.2021
9. Оформлення креслень

Студент Н.В. Мороз
(підпис)
Керівник проекту Т.В. Воробкало
(підпис)

ЗМІСТ
сторінка
Вступ ………………………………………………………………………………...5

Розділ 1. ІНФОРМАЦІЙНИЙ ПОШУК ТА АНАЛІЗ
АНАЛОГІЧНИХ ПРИСТРОЇВ ……..…................................................................7
1.1. Способи вимірювання рівня рідини …………………………...................7
1.2. Фізичні основи ультразвуку ……………………………………………..12
1.3. Принцип роботи ультразвукового датчика вимірювання
рівня рідини …………………………………………………………………...14
1.4. Промислові ультразвукові вимірювачі рівня рідини…………………..16
1.5. Радіоаматорські ультразвукові вимірювачі рівня рідини……………...20

Розділ 2. ВИБІР ТА ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ……...25
2.1. Обґрунтування технічного завдання........................................................25
2.2. Розробка структурної схеми …….………………………………………26

Розділ 3. РОЗРОБКА ТА РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ
ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ …………............................................................30
3.1. Вибір мікроконтролера ……………………..…………...........................30
3.2. Розробка панелі керування ………..........................................................32
3.3. Вибір та підключення дисплея ………………………………………….34
3.4. Підключення світлового та звукового індикатора …………………….36
3.5. Підключення електромагнітних реле ……………………………..........37
3.6. Вибір та підключення датчика температури …………………………..39
3.7. Вибір п’єзоелектричного елемента …………………………………….41
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. Лист № докум. Підпис Дата
Розроб. Мороз Н.В. Літ. Арк. Акрушів
Є Пведроким Розробка безконтактного
евір.е нко Воробкало Т.В. 3 80
пристрою для

Н. Контр. Воробкало Т.В. вимірювання рівня рідини ЧДТУ
Затверд. Палагін В.В.
3.8. Розрахунок підсилювача потужності …………………………………..42
3.9. Розрахунок підсилювача-обмежувача та детектора …………………...44
3.10. Розрахунок перетворювача напруги…………………………………...48
3.11. Вибір мережевого адаптера…………………………………………….52

Розділ 4. ОСОБЛИВОСТІ ЗБІРКИ ТА НАЛАШТУВАННЯ
ПРИСТРОЮ…………………………………………………………………54
4.1. Складання та налаштовування пристрою ……………………………...54
4.2. Вплив середовища на результат вимірювання ………………………...56
4.3. Правила встановлення вимірювача рівня рідини………………………57
4.4. Розрахунок надійності пристрою………………………………………..60

Розділ 5. ОХОРОНА ПРАЦІ..................................................................................64
5.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на дослідника
при роботі в дослідницькій лабораторії ……………………................64
5.2. Модернізація системи штучного освітлення …………………………71

Висновки ............................................................................................................…..77
Список використаної літератури….....................................................................79
Додатки……………………………………………………………………………..81
Арк
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
4
Змн Арк № докум. Підпис Дата

ВСТУП
Для ведення технологічних процесів на підприємствах велике значення має
контроль за рівнем рідин і твердих сипучих матеріалів у виробничих апаратах.
Крім того, знаючи площу даної ємності, по величині рівня можна визначити
кількість речовини в ній. Особливу групу складають рівнеміри, використовувані
тільки для сигналізації граничних значень рівня.
Характерною рисою більшості вимірювачів рівня є наявність в їх датчику
рухомих вузлів або струмонесучих частин, що знаходяться в контакті з рідиною
всередині об’єму апарата. Рухомі вузли датчиків є вразливими місцями цих
приладів. Наявність струмоведучих частин всередині хімічних апаратів часто є
неприпустимим з міркувань вибухобезпеки або у випадках, коли агресивне
середовище може призвести до порушення ізоляції датчика рівнеміра.
Тому значний інтерес для різних галузей промисловості представляють
вимірювачі рівня, робота яких побудована на використанні ультразвукових
коливань. Ультразвуковий датчик не має рухомих частин і може бути
встановлений без безпосереднього контакту з рідиною, рівень якої необхідно
вимірювати.
Принцип дії ультразвукових рівнемірів полягає у вимірюванні часу
проходження ультразвукової хвилі від датчика до лінії розділу «рідина-газ» та
назад. Отримавши відбитий ехосигнал і визначивши цю тривалість часу, а також
знаючи швидкість поширення ультразвукових коливань в цьому середовищі,
можна дізнатись потрібну висоту рівня рідини і як результат – загальний об’єм
рідини.
При досягненні кількості рідини критичного значення (необхідного
мінімуму або максимуму) рівнемір подає сигнал тривоги. Більш досконалі
вимірювачі рівня можуть працювати в автоматичному режимі: наприклад,
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

самостійно керуючи роботою насоса для забезпечення об’єму рідини в
дозволених межах.
Тому метою роботи є розробка безконтактного пристрою для вимірювання
рівня рідини на основі ультразвукового датчика, який буде мати діапазон
вимірювальних відстаней – 0,5…10 м та два релейних виходи для підключення
пристроїв автоматики, наприклад, для забезпечення кількості рідини в дозволених
межах або спрацювання на пульті аварійної сигналізації при перевищені
допустимого рівня рідини, а також мати можливість віддалення датчика від
вимірювального блоку.

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1. ІНФОРМАЦІЙНИЙ ПОШУК ТА АНАЛІЗ АНАЛОГІЧНИХ
ПРИСТРОЇВ

1.1. Способи вимірювання рівня рідини

Вимірювач рівня рідини – це прилад, призначений для визначення кількості
рідини в різноманітних хімічних апаратах, парових котлах, резервуарах,
трубопроводах та інших герметичних пристроях [1]. Характерною рисою
більшості вимірювачів рівня є наявність в їх датчику рівня рідини
Датчики рівня рідини необхідні для контролю рівня рідин в ємностях або
трубопроводах. За функціоналом датчики рівня діляться на рівнеміри й
сигналізатори.
Рівнеміри - це датчики, призначені для безперервного вимірювання рівня
рідин. Їх робота базується на певних фізичних принципах, завдяки яким
електронний блок рівнеміра перетворює значення рівня рідини в пропорційний
аналоговий сигнал або в цифровий код.
Сигналізатори - це датчики, призначені для визначення заданого положення
рівня (заповнення / спустошення) рідини в ємності або трубі. Такі датчики мають
дискретний (релейний або транзисторний) вихідний сигнал. Як правило,
спрацювання сигналізатора відбувається при блокуванні або звільнення чутливого
елемента рідиною.
Залежно від поставлених завдань підбирається необхідний тип обладнання,
рівнеміри або сигналізатори. Однак найчастіше використовуються обидва типи
пристроїв, наприклад, для гарантованого запобігання «сухого ходу насоса»,
переливу рідини через край ємності або для точного дозування рідин, які
використовуються в технологічному процесі.
Вибір відповідних датчиків залежить як від параметрів технологічного
процесу (робоча температура, тиск та ін.), Так і від фізико-хімічних властивостей
самої рідини (в'язкість, електропровідність, агресивність та ін.).
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Датчики рівня рідини діляться на два типи: контактні (весь датчик або його
частина контактує з вимірюваним середовищем) і безконтактні (вимір
відбувається без контакту з рідким середовищем). Кожен з цих типів має переваги
і недоліки і знаходить своє застосування в тій чи іншій області.
Контактний тип датчиків як правило застосовується в процесах, які мають
фактори, що ускладнюють роботу обладнання. До таких факторів можна віднести:
температури понад + 90 ° С; тиск понад 3 бар. У тому числі переважно контактні
датчики використовують для вимірювання рівня пінних рідин (молоко, пиво,
соки, газ. Вода та ін.). З огляду на розсіювання сигналу і отримання некоректних
результатів при вимір безконтактним методом, рівень рідини в високих вузьких
резервуарах також рекомендовано контролювати за допомогою контактних
приладів.
Безконтактні датчики рівня рідини застосовуються там, де необхідно
уникнути згубного впливу фізико-хімічних властивостей вимірюваної рідини. На
процес вимірювання і працездатність датчика можуть впливати: в'язкі рідини
(згущене молоко, варення, нафтопродукти, гліцерин і ін.); агресивні рідини (лугу,
кислоти). Хоча саме безконтактний тип датчиків рекомендований при контролі
рівня агресивних середовищ і тим не менш, контактні датчики, виготовлені з
нержавіючих сталей і пластиків, також застосовуються спільно з агресивними
рідинами.
Всі датчики рівня рідини розрізняються не тільки за функціоналом
(рівнеміри / сигналізатори), типу (контактні / безконтактні), але і найголовніше -
за принципом дії:
• емнісні
• гідростатичні
• байпасні
• поплавкові
• магнітострикційні
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• буйкові
• мікрохвильові рефлексні
• радіоізотопні
• ультразвукові
• та інші
Робота ємнісних рівнемірів заснована на розходженні діелектричної
проникності рідин і повітря. Найпростіший первинний перетворювач ємнісного
приладу являє собою електрод, розташований у вертикальній металевій трубці.
Електрод з трубою утворюють конденсатор, ємність якого залежить від рівня
рідини, тому що при її зміні від нуля до максимуму діелектрична проникність
датчика буде змінюватися від діелектричної проникності повітря до діелектричної
проникності рідини. Ємнісні рівнеміри можуть вимірювати рівень не тільки
рідин, але і твердих сипучих матеріалів: цементу, вапна і т. п.
Гідростатичний спосіб вимірювання рівня заснований на тому, що в рідині
існує гідростатичний тиск, пропорційний глибині, тобто відстані від поверхні
рідини. Тому для вимірювання рівня гідростатичним способом можуть бути
використані датчики тиску або перепаду тисків. В якості таких приладів зазвичай
застосовують дифманометри.
Робота байпасних рівнемірів заснована на принципі сполучених посудин,
що робить процес вимірювання дуже наочним і зрозумілим. Такі рівнеміри
застосовуються в невеликих резервуарах, що знаходяться під тиском з
температурою робочого середовища до +250 ° С. Можуть використовуватися
спільно з магнітострикційними рівнемірами, що дозволить їх інтегрувати в АСУ.
Байпасні рівнеміри не слід застосовувати з в'язкими рідинами або рідинами
в'язкість яких підвищується при зниженні температури, так як температура рідини
в байпасній камері через теплових перемичок в сполучної арматури нижче ніж в
сполучених з ним посудині.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
9
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

В поплавкових рівнемірах застосовується плаваючий на поверхні рідини
поплавок, в результаті чого її рівень перетворюється в переміщення поплавка. В
таких приладах використовується легкий поплавок, виготовлений з корозійно-
стійкого матеріалу, а шкала або реостат приладу з’єднаний з ним тросом або за
допомогою важелів. Поплавковими рівнемірами можна вимірювати кількість
рідини тільки у відкритих ємностях.
Магнітострикційні і магнітні рівнеміри відносяться до типу поплавкоевих,
це означає, що поплавок «лежить» на поверхні рідини і вимір рівня відбувається
відносно положення цього поплавка. Такі рівнеміри відрізняються більшою
точністю, особливо магнітострикційні. Їх доцільно застосовувати при
комерційному обліку світлих нафтопродуктів, хімічних речовин та інших дорогих
рідин. Поплавкові рівнеміри підходять для вимірювання рівня пінних рідин, проте
не застосуємо з в'язкими рідинами.
В буйкових рівнемірах застосовується нерухомий занурений в рідину
буйок. Принцип дії заснований на тому, що на занурений буйок діє з боку рідини
виштовхувальна сила. За законом Архімеда ця сила дорівнює вазі рідини,
витісненої буйком, кількість якої залежить від глибини занурення буйка. Таким
чином, вимірюваний рівень перетворюється в пропорційну йому виштовхуючу
силу і буйок передає це зусилля на пневматичний важіль електричного
перетворювача.
Мікрохвильові рефлексні рівнеміри конструктивно складаються з
електронного блоку і хвилеводу. Довжина хвилеводу повинна відповідати висоті
резервуара, що обмежує застосування датчиків в високих резервуарах. З такою
бідою стикаються всі датчики з аналогічною конструкцією (ємнісні, магнітні,
магнітострикційні). Однак принцип дії і конструкція рефлексного датчика робить
його високоточним і придатним для використання у важких умовах (висока
температура і тиск), а також з пінистими і налипає рідинами. Цей вид рівнемірів
можна назвати найбільш універсальним, придатними для застосування фактично з
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
10
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

будь-якими рідинами, не залежно від тиску повітряного середовища над
поверхнею рідини або діелектричної проникності середовища.
Радіоізотопні рівнеміри застосовують для виміру рівня рідин і сипучих
матеріалів в закритих ємностях. Їх дія заснована на поглинанні Y-променів при
проходженні через шар речовини. Джерело і приймач випромінювання підвішені
на сталевих стрічках і переміщаються реверсивним електродвигуном по всій
висоті баку. Якщо вимірювальна система (джерело і приймач Y-променів)
розташована вище рівня вимірюваного середовища, поглинання випромінювання
слабке і від приймача буде приходити сильний сигнал. За цим сигналом
електродвигун отримає команду на спуск вимірювальної системи. При зниженні її
нижче рівня середовища поглинання Y-променів різко збільшиться, сигнал від
приймача зменшиться, і електродвигун почне піднімати вимірювальну систему.
Дія ультразвукових та акустичних рівнемірів заснована на вимірі часу
проходження імпульсу ультразвуку від випромінювача до поверхні рідини і назад.
При прийомі відбитого імпульсу випромінювач стає датчиком. Якщо
випромінювач розташований над рідиною, рівнемір називається акустичним;
якщо всередині рідини – ультразвуковим. В першому випадку вимірюваний час
буде тим більше, чим нижче рівень рідини, в другому – навпаки. Електронний
блок служить для формування випромінюваних ультразвукових імпульсів,
посилення відбитих імпульсів, вимірювання часу проходження імпульсом
подвійного шляху (у повітрі або рідини) і перетворення цього часу в уніфікований
електричний сигнал.
Саме ультразвукові датчики найбільш часто застосовуються для
безконтактного контролю рівня рідини. Адже далеко не завжди важлива дуже
висока точність вимірювання як у радарних датчиків, а вартість таких пристроїв в
кілька разів нижче. Обмеження на застосування накладають пінисті рідини і
ємності в яких утворюється газова подушка (ємності з азотною кислотою), власне,
як і в випадку з імпульс-радарними рівнемірами.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. 11
Арк. № докум. Підпис Дата

1.2. Фізичні основи ультразвуку

Ультразвук - акустичні коливання, частота яких більша ніж високочастотна
межа чутного звуку (понад 20 000 Гц). Верхня межа частот ультразвуку умовна.
[3].
Ультразвук сильно поглинається газами і в багато разів слабкіше –
твердими речовинами і рідинами. Тому ультразвукові хвилі можуть
поширюватися на значні відстані лише в твердих тілах і рідинах.
Так як енергія, яку переносять хвилі, пропорційна щільності середовища і
квадрату частоти, то ультразвук може переносити енергію, набагато більшу, ніж
звукові хвилі. Ще одна важлива властивість ультразвуку полягає в тому, що
порівняно просто здійснюється його направлене випромінювання. Все це дозволяє
широко використовувати ультразвук в техніці.
Появі приладів на використанні ультразвукових хвиль ми зобов’язані
вченим, що винайшли та досліджували це унікальне фізичне явище [3].
В 1880 році французькі фізики, брати Пьєр і Поль Кюрі, помітили, що при
стисненні і розтягуванні кристала кварцу з двох сторін на його гранях,
перпендикулярних напрямку стиснення, з’являються електричні заряди. Це явище
було названо «п’єзоелектрика» (від грецького «п’єзо» – «тисну»), а матеріали з
такими властивостями – п’єзоелектрики. Пізніше це явище пояснили анізотропією
кристала кварцу – різні фізичні властивості уздовж різних його граней.
Під час першої світової війни французький дослідник Поль Ланжевен
запропонував використовувати п’єзоелектричний ефект для виявлення підводних
човнів. Якщо п’єзоелектрик зустрічає на своєму шляху ультразвукову хвилю від
гвинта човна, яка розповсюджується зі швидкістю 1460 км/с, то вона стискає його
грані, і на них з’являються електричні заряди. Стискаючись і розтискаючи,
кристал генерує змінний електричний струм, який можна виміряти чутливими
приладами. Якщо ж до граней кристалу прикласти змінну напругу, він сам почне
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

коливатися, стискаючись і розтискаючи з частотою змінної напруги. Ці коливання
кристалу передаються середовищу, що граничить з кристалом (повітрю, воді,
твердому тілу). Так виникає ультразвукова хвиля.
Ланжевен спробував зарядити грані кварцового кристалу електрикою від
генератора змінного струму високої частоти. При цьому він зауважив, що кристал
коливається в такт зміні напруги. Щоб підсилити ці коливання, учений вклав між
сталевими листами-електродами не одну, а декілька пластинок і добився
виникнення резонансу – різкого збільшення амплітуди коливань. Ці дослідження
Ланжевена дозволили створювати ультразвукові випромінювачі різної частоти.
Пізніше з’явилися випромінювачі на основі титанату барію, а також інших
кристалів і кераміки, які можуть бути будь-якої форми і розмірів.
Ультразвук можна отримати й в інший спосіб. У 1847 році англійський
фізик Джеймс Джоуль виявив, що при перемагнічуванні електричним струмом
залізних і нікелевих стержнів вони то зменшуються, то збільшуються в такт
змінам напряму струму. При цьому в навколишньому середовищі збуджуються
хвилі, частота яких залежить від коливань стрижня. Це явище назвали
«магнітострикцією» (від латинського «стріктус» – «стиснення»).
Ультразвук виявився просто знахідкою для вирішення технічних, наукових
і медичних задач. Наприклад, ультразвукові дефектоскопи, об’єднані з
комп’ютером, допомагають контролювати якість зварних швів, бетонних опор і
плит. Ультразвукову апаратуру також з успіхом застосовують для різання та
свердлення металів, скла та інших матеріалів. Ультразвук можна використовувати
для подрібнення речовини – наприклад, для приготування тонко розмеленого
цементу або азбесту, для отримання однорідних емульсій, для очищення рідини
або газу від домішок. За допомогою сфокусованого пучка ультразвукових хвиль
розпилюють деякі рідини, наприклад, ароматичні речовини, лікарські препарати
та інші [4].

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.3. Принцип роботи ультразвукового датчика вимірювання
рівня рідини

Безконтактні ультразвукові датчики безперервного виміру рівня рідини в
більшості випадків розташовуються вгорі резервуара (рис. 1.1) Короткі
ультразвукові імпульси в діапазоні від 18 до 70 кГц випромінюються сенсором в
напрямку вимірюваного середовища, відбиваються від її поверхні і знову
уловлюються сенсором.

Рис.1.1. Метод вимірювання рівня рідини за часом проходження
ультразвукового сигналу

Рівень рідини визначається, як різниця відстаней від кришки до дна
резервуара і від випромінювача/приймача ультразвукових хвиль по поверхні
вимірюваного середовища, а відстань від випромінювача/приймача
ультразвукових хвиль до поверхні вимірюваного середовища - за часом
проходження ультразвукової хвилі від передавача датчика до поверхні
середовища і назад до приймача-реєстратору
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
14
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1
h = htot − VSt ,
2
де VS - швидкість розповсюдження ультразвукового сигналу в даному
середовищі
Новітня мікропроцесорна технологія і відповідне програмне забезпечення
гарантують надійне виявлення ехосигналу рівня навіть при наявності помилкових
ехосигналів, відбитих від внутрішніх конструкцій, і високоточне обчислення
дивідстані до поверхні вимірюваного середовища.
Щоб компенсувати вплив часу проходження акустичного сигналу,
вбудований температурний датчик визначає температуру в резервуарі. Завдяки
простому введення габаритних розмірів ємності і виміряної дистанції
розраховується сигнал, пропорційний рівню. Таким чином, відсутня необхідність
в заповненні ємності для виконання точної настройки.
Ультразвукові датчики виконують з одного (передавач одночасно є
приймачем ультразвуку) або двома головками (окремі передавач і приймач
ультразвука), що мінімізує кордон «сліпої зони» - відстані від датчика до
середовища, при якому випромінюється і зворотний сигнал накладаються один на
одного.
Всі ультразвукові датчики безперервного виміру рівня рідини
характеризуються значним розсіюванням излученного сигналу, що призводить до
появи істотного числа паразитних віддзеркалень від стінок, арматури і
конструктивних елементів корпусу, нашарувань на стінках і ін.
Переваги ультразвукових датчиків безперервного контролю рівня рідини:
немає контакту з вимірюваним середовищем, можуть використовуватися для
вимірювання рівня сильно забруднених середовищ, мала залежність від щільності
вимірюваного середовища.
Недоліки ультразвукових датчиків безперервного контролю рівня рідини:
значне розсіювання випромінюваного потоку ультразвукових хвиль, що
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

обумовлює велику кількість паразитних сигналів, велика залежність точності
вимірювань від температури, складу повітря, наявності в ньому пилу, бруду,
водяної пари, спотворення результатів вимірювань при наявності піни на поверхні
вимірюваного середовища, залежність точності від турбулентності вимірюваного
середовища, досить великі «сліпі» зони через порівняно малі швидкості
ультразвуку (в порівнянні, наприклад, з мікрохвильовим електромагнітним
випромінюванням).

1.4. Промислові ультразвукові вимірювачі рівня рідини

На сучасному ринку представлено широкий вибір готових ультразвукових
вимірювачів рівня рідини. Розглянемо деякі з них.
На рисунку 1.2 зображено самоналагоджувальний рівнемір «УСУ-03» [6].
Він може працювати з різними поверхнями: дзеркало, рідини (спокійна, з хвилею,
з піною), ухили сипучих матеріалів з різними кутами і розмірами гранул. Рівнемір
може настроювати «0» на рівень дна робочої ємності будь-якого розміру. Також
пристрій вимірює температуру навколишнього повітря і коригує показники через
зміну швидкості поширення ультразвуку при зміні температури. Рівнемір
автоматично усереднює рельєф відбиваючої поверхні. «УСУ-03» працює в режимі
самодіагностики і в разі несправності видає сигнал.
Рівнемір «УСУ-03» має наступні технічні характеристики:
• робоча частота – 15…35 кГц;
• частота оновлення показників – 3 Гц;
• діапазон вимірювальних відстаней – 0,5…32 м;
• вихідний струм, пропорційний вхідному сигналу – 4…20 мА;
• основна приведена похибка вимірювань – 2%;
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• зона нечутливості – 0,4 м;
• напруга живлення – 12 В та 24 В;
• споживча потужність – 5 Вт.

Рис. 1.2. Самоналагоджувальний рівнемір «УСУ-03»

На рисунку 1.3 зображено цифровий ультразвуковий рівнемір «ВЗЛЕТ УР-
211» [7]. Цей вимірювач рівня рідини автоматично враховує зміну швидкості
ультразвуку при зміні параметрів газового середовища. Можлива періодична
самоочистка п’єзоелектричного перетворювача від конденсату та забруднення.
Рівнемір має рідкокристалічний індикатор для виведення інформації та
налагоджування. Отримані дані зберігаються у вбудованій пам’яті та можуть
передаватись до комп’ютера через інтерфейс RS-232. При роботі в якості
сигналізатора можливо настроювати 8 значень рівня, при перетині яких
спрацьовують логічні виходи. Рівнемір виготовлений у вибухозахищеному
корпусі. При роботі в якості вимірювача рівня вихідними сигналами є
нормований струм або імпульсний сигнал.
Рівнемір «ВЗЛЕТ УР-211» має наступні технічні характеристики:
• максимальна вимірювальна відстань – 12 м;
• вихідний струм, пропорційний вхідному сигналу – 4…20 мА;
• абсолютна похибка вимірювань – до 4,0 мм;
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 17

• зона нечутливості – 0,8 м;
• програмувальний інтервал архівації показників – від 2 до 60 хвилин;
• зв’язок з комп’ютером – інтерфейс RS-232;
• напруга живлення – 24 В;
• споживча потужність – 20 Вт.

Рис. 1.3. Цифровий ультразвуковий рівнемір «ВЗЛЕТ УР-211»

На рис. 1.4 зображено компактний рівнемір для рідини та сипучих
матеріалів «Prosonic M FMU40» [8]. Пристрій призначений як для безконтактного
визначення рівня, так і для розрахунку витрат об’єкту вимірювання. На
вбудованому дисплеї крім опцій меню також може виводитись графік отриманого
ехосигналу, що значно полегшує діагностику. Вимірювання проводяться з
урахуванням температури середовища. Дистанційне керування рівнеміром
здійснюють за допомогою програмного пакету «ToF Tool» через адаптер RS-232.
Рівнемір «УСУ-03» має наступні технічні характеристики:
• вимірювальна відстань – до 5 м для рідини, до 2 м для сипучих матеріалів;
• вихідний струм, пропорційний вхідному сигналу – 4…20 мА;
• абсолютна похибка вимірювань – до 2,0 мм;
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
18
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• зона нечутливості – 0,25 м;
• зв’язок з комп’ютером – інтерфейс RS-232;
• напруга живлення – 10,5…32 В;
• споживча потужність – 4 Вт.

Рис. 1.4. Рівнемір для рідини та сипучих матеріалів «Prosonic M FMU40»

Налаштовування рівнеміру «Prosonic M FMU40» можливо як з власного
меню на 4-строковому дисплеї, так і з віддаленого терміналу через спеціальний
адаптер RS-232. Програмний пакет «ToF Tool» підтримує одночасний контроль за
кількома рівнемірами (до 32 шт.). Вихідні сигнали рівнеміра відповідають
стандартам HART (4...20мА), PROFIBUS PA, Foundation Fieldbus.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1.5. Радіоаматорські ультразвукові вимірювачі рівня рідини

Ідея безконтактного вимірювання відстані за допомогою ультразвуку також
цікавить і радіоаматорів-конструкторів. При аналізі інформації було знайдені
саморобні конструкції, які можуть використовуватись для визначення рівня
рідини. Розглянемо деякі з них.
На рисунку 1.5 зображено схему «ультразвукового вимірювача відстані»
[9]. Пристрій складається з двох функціональних частин – передавача
ультразвукових імпульсів та приймача ультразвукових імпульсів.
Передавач зібрано на мікросхемах DD1-DD3. Генератор на DD1 визначає
тривалість імпульсу та паузу між ними. Генератор на DD2 виробляє несучу
частоту 40 кГц. Резистор R12 потрібен для точного підстроювання на резонансну
частоту випромінювача X2. З виходу генератора DD2 сигнал надходить на
буферний підсилювач DD3.3-DD3.6, навантаженням якого є стандартний УЗ-
випромінювач типу МУП-3 або МУП-4.
На елементах DA1.1-DA1.2 зібрано підсилювач прийнятого сигналу з
коефіцієнтом передавання 1000. На детекторі VD3, VD4, С7, С10 виділяється
обвідна сигналу, що надходить до компаратора DA5. Компаратор визначає відбиті
імпульси, і, якщо імпульс «правильний», вихід компаратора переходить у стан
логічного нуля. Щоб визначити час, за який переданий УЗ-імпульс проходить
відстань до об’єкта, а відбитий сигнал повертається назад, використовується D-
тригер на мікросхемі DD4. Сигнал передавача переводить вихід тригера в стан
логічної одиниці, а сигнал з компаратора – в стан логічного нуля. Таким чином,
весь той час, поки УЗ-імпульс подорожує від передавача до приймача, на виході
тригера зберігається високий рівень – логічна одиниця.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.5. Схема «ультразвукового вимірювача відстані»

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

На елементах DD5.5 і DD5.6 зібрано генератор імпульсів для лічильника
DD6, яким управляє D-тригер, дозволяючи рахувати йому імпульси від
генератора, тільки коли на виході тригера логічна одиниця, тобто коли УЗ-
імпульс летить від передавача до об’єкта і назад до приймача.
Таким чином, чим далі знаходиться об’єкт, тим більше лічильник нарахує
імпульсів від генератора на DD5.5-DD5.6. Після того як відбитий імпульс
визначиться детектором, тригер закриється, і лічильник DD6 перестане рахувати
імпульси. На індикаторах HL1-HL3 висвітиться відстань до об’єкту в метрах.
Мікросхема DD7 – дешифратор семисегментного коду.
Особливого налаштування прилад не потребує, проте для підвищення
точності вимірювань рекомендується відкалібрувати його перед використанням
під температурні умови. Це робиться за допомогою резисторів змінних резисторів
R2 та R9.
Основні технічні характеристики «ультразвукового вимірювача відстані»:
• робоча частота – 40 кГц;
• вимірювальна відстань – до 9,99 м;
• абсолютна похибка вимірювань – 10 мм.
На рисунку 1.6 зображено схему «ультразвукового дальноміра» [10].
Пристрій зібрано на основі мікроконтролера PIC16F88. Мікроконтролер генерує
необхідні модульовані УЗ-імпульси, які надходять до випромінювача WD1 через
складений транзистор Дарлінгтона TR10-TR11.
Відбитий УЗ-сигнал приймається п’єзомікрофоном M2, проходить через
транзисторний підсилювач (TR2, TR5, TR4) та діодний детектор (D8, D7).
Отримана від детектора обвідна сигналу переключає стан компаратору U6, який
подає імпульс на вхід мікроконтролера. Мікроконтролер вираховує тривалість
проходження ультразвукової хвилі через робоче середовище і виводить результат
на 4-розрядний індикатор SG1.

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
23
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.6. Схема «ультразвукового дальноміра»

«Ультразвуковий дальномір» живиться від мережевого адаптера через
єдиний стабілізатор напруги 5 В.
Налаштування пристрою зводиться до встановлення порогу спрацювання
компаратора резистором VR2. Програма мікроконтролера завантажується через
роз’єм CN2.
Основні технічні характеристики «ультразвукового дальноміра»:
• робоча частота – 25, 32 або 40 кГц;
• вимірювальна відстань – від 0,05 до 3 м;
• абсолютна похибка вимірювань – 3 см.
Розглянуті радіоаматорські ультразвукові вимірювачі мають наступні
недоліки:
• пристрої мають загальне призначення, не пристосовані до особливостей
визначення рівня рідини чи сипучих матеріалів;
• функція пристрою зводиться лише до індикації відстані до перешкоди, не
маючи релейних чи логічних виходів;
• для спрощення конструкції використовується окремо ультразвуковий
передавач та приймач;
• компоненти пристроїв вибрані без врахування жорстких умов експлуатації
на промислових підприємствах (температурний діапазон,
вологозахищеність, вібрація тощо).
Тому в даній роботі розробимо безконтактний пристрій для вимірювання
рівня рідини на основі ультразвукового датчика, який буде мати діапазон
вимірювальних відстаней – 0,5…10 м.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2. ВИБІР ТА ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

2.1. Обґрунтування технічного завдання

На основі проведеного в роботі інформаційного пошуку та аналізу
аналогічних пристроїв ставиться мета розробити ультразвуковий вимірювач рівня
рідини, який повинен відповідати наступним технічним характеристикам:
• робоча частота – 40 кГц;
• частота оновлення показників – 2 Гц;
• діапазон вимірювальних відстаней – 0,5…10 м;
• абсолютна похибка вимірювань – 1 см;
• кількість релейних виходів – 2;
• можливість віддалення датчика від вимірювального блоку.
Робоча частота 40 кГц є типовою для більшості вітчизняних та закордонних
ультразвукових датчиків, призначених для вимірювання відстані. УЗ-датчики з
іншою резонансною частотою (25 кГц, 32 кГц) менш розповсюджені.
Частота оновлення показників 2 Гц є достатньою для контролю за
технологічними процесами. Період слідування УЗ-пакетів (500 мс) відповідає
часу реакції електромагнітного клапана або водяної помпи.
Діапазон вимірювальних відстаней до 10 м перевищує розмір більшості
робочих резервуарів, кількість рідини в яких потрібно контролювати. При
необхідності цей параметр коригується програмно. Абсолютна похибка 1 см для
резервуару розміром 1…10 м є досить точною.
Релейні виходи можуть бути використані, наприклад, для керування
насосом або сповіщення системи сигналізації. Одне реле може працювати для
попередження, а друге як аварійне.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Віддалення датчика від вимірювального блоку може бути необхідним при
розташуванні пристрою на робочому пульті оператора технологічного процесу, а
резервуар з об’єктом вимірювання знаходиться за кілька десятків метрів.

2.2. Розробка структурної схеми

Структурна схема ультразвукового вимірювача рівня рідини зображена на
рисунку 2.1. Роботою пристрою керує мікроконтролер. Він працює згідно
програми, яка завантажується в нього перед збиранням пристрою. Сучасні
мікроконтролери мають досить високу продуктивність та розвинену архітектуру,
їх незначна вартість дозволяє застосовувати мікроконтролери в багатьох
пристроях промислової та побутової автоматики. В даній схемі мікроконтролер
виконує наступні функції:
• обробка сигналів – генерація та прийом ультразвукових посилок;
• математичні розрахунки – визначення відстані до рідини;
• прийняття рішень та виведення інформації.
Ультразвуковий п’єзоелектричний випромінювач розташовується в
верхній частині резервуара з рідиною, кількість якої потрібно визначати, і
направлений перпендикулярно до її площини. Мікроконтролер формує періодичні
пачки імпульсів частотою 40 кГц – резонансній частоті п’єзоелектричного
випромінювача.
Глибина резервуара може досягати 10 м, для впевненого проходження
ультразвукової хвилі до рідини та назад амплітуда імпульсів з мікроконтролера
збільшується у підсилювачі потужності. Також при використанні вимірювача на
підприємствах можливий високий рівень промислових завад, тому для
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

покращення співвідношення «сигнал/шум» необхідне підсилення потужності
вихідного сигналу.
Ультразвукові імпульси відбившись від рідини повертаються до
п’єзоелектричного елемента, який їх випромінював – тепер він виконує роль
датчика. Ехосигнал надходить до підсилювача-обмежувача, який збільшує розмах
амплітуди імпульсів. Обмеження необхідне, тому що динамічний діапазон
ехосигналу може бути широким, вхідна напруга залежить від того, наскільки
повним буде резервуар з рідиною.
Детектор виділяє обвідну прийнятого ультразвукового сигналу.
Мікроконтролер заміряє тривалість часу, що пройшла від генерації вихідних
імпульсів до надходження сигналу з детектора, і, враховуючи швидкість
ультразвуку в середовищі, визначає відстань до рідини. Ця швидкість залежить
від газу, яким заповнено резервуар (наприклад, повітрям) та його температури.
Для врахування останнього параметру застосовано датчик температури. Цей
датчик може бути розташований як всередині резервуара, так і ззовні. Якщо
датчик не підключено, мікроконтролер в розрахунках вважає температуру рівною
+20°С. При встановленні вимірювача рівня рідини проводять автоналаштування –
визначають глибину пустого резервуара і пристрій запам’ятовує нульовий рівень.
Інформація про поточний рівень рідини виводиться на текстовий дисплей.
За допомогою панелі керування встановлюють необхідний режим роботи,
вибирають нижній та верхній пороги спрацювання вимірювача, коректують
швидкість ультразвуку в залежності від хімічного складу середовища.
Світловий та звуковий індикатори повідомляють оператору технологічного
процесу про наближення кількості рідини до критичного рівня. Світловий
індикатор сповіщає блиманням, а звуковий – сигналом тривоги. Таким чином,
вимірювач привертає до себе увагу: якщо на одному операторському стенді
використовується кілька вимірювачів, то індикатори вказують, який саме дає
тривожний сигнал.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 2.1. Структурна схема ультразвукового вимірювача рівня рідини
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Релейні виходи використовуються для керування виконавчими пристроями
автоматики. Наприклад, для забезпечення кількості рідини в дозволених межах,
самостійно включати та виключати насос або електромагнітний клапан. Також
цим реле можна викликати спрацювання на пульті аварійної сигналізації
технологічного процесу. Користувач самостійно визначає в меню мінімальний та
максимальний поріг спрацювання для світового і звукового індикатора, кожного
з вихідних реле. Таким чином можна досягти автономної роботи певного вузла на
виробничій лінії, і привертати увагу оператора лише при необхідності його
втручання.
Мережевий адаптер забезпечує живлення стабілізованою напругою всіх
вузлів схеми. Перетворювач напруги формує високу двополярну напругу для
живлення підсилювача потужності. Це потрібно як для збільшення максимальної
глибини досліджуваного резервуара, так і для необхідної дистанції між
п’єзоелектричним приймачем-передавачем в резервуарі та самим пристроєм на
операторському пульті. Враховуючи те, що мережевий адаптер є найбільш
вразливим елементом при нестабільній напрузі живлення (~220 В), його слід
робити не вбудованим в пристрій, а зовнішнім – для можливості швидкої заміни
адаптера. Це особливо важливо при користуванні вимірювачем на виробничих
лініях, які не можна залишати без контролю.

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3. РОЗРОБКА ТА РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ
СХЕМИ

3.1. Вибір мікроконтролера

Основним елементом, який керує роботою всього пристрою є
мікроконтролер. Тому розробку ультразвукового вимірювача рідини почнемо з
вибору мікроконтролера. Для даної задачі потрібен сучасний високопродуктивний
малопотужний мікроконтролер з достатньою кількістю портів введення-
виведення для підключення всіх елементів схеми. Виберемо мікроконтролер
PIC16F628A компанії «Microchip Technology Inc.» [11]. Основні параметри та
особливості цього мікроконтролера:
• ядро – PIC16;
• розрядність – 8 біт;
• тактова частота зовнішнього генератора – від 0 до 20 МГц;
• внутрішній тактовий генератор – прецизійний 4 МГц ±1%;
• пам’ять FLASH – 2 КБ;
• пам’ять SRAM – 224 байт;
• пам’ять EEPROM – 128 байт;
• кількість портів введення-виведення – 16;
• кількість таймерів – два 8-розрядних та один 16-розрядний;
• кількість компараторів – 2;
• кількість каналів ШІМ – 1;
• напруга живлення – 2…5,5 В;
• максимальний споживчий струм – 2,75 мА;
• скидання при включенні живлення POR та при зниження живлення BOR;
• сторожовий таймер з окремим генератором;
• захист коду програми;
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. 30
Арк. № докум. Підпис Дата

• режим низьковольтного програмування;
• корпус – DIP-18;
• робоча температура – -40…+125°С.
Архітектура та функціональне призначення виводів мікроконтролера
PIC16F628A показані на рисунках 3.1 та 3.2. відповідно

Рис. 3.1. Архітектура мікроконтролера PIC16F628A

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. 31
Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.2. Функціональне призначення виводів мікроконтролера PIC16F628A

В схемі вимірювача рівня мікроконтролер працюватиме з внутрішнім
прецизійним тактовим генератором частотою 4 МГц.
Напругу живлення вимірювача вибираємо 5 В.
Схема підключення мікроконтролера DD1 до його периферійних пристроїв
показана на рисунку 3.3.
Резистор R11 підтягує напругу по входу MCLR (вхід скидання)
мікроконтролера. Виберемо опір резистора R11 рівний 10 кОм. Фільтруючий
конденсатор C4 по напрузі живлення вибираємо ємністю 1 мкФ. Для кращої
компактності та вібростійкості пристрою більшість компонентів будемо вибирати
для поверхневого монтажу.

3.2. Розробка панелі керування

Панель керування складається з 4 кнопок з наступним призначенням:
• «MENU» – кнопка виклику екранного меню;
• «UP» – переміщення по меню вгору;
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
32
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• «DOWN» – переміщення по меню вниз;
• «SELECT» – вибір потрібної опції меню.

Рис. 3.3. Підключення мікроконтролера до периферійних пристроїв

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Резистори R7 та R8 подають на порти RB1 та RB2 мікроконтролера DD1
напругу 5 В, якщо жодна з кнопок не натиснута. При натисканні кнопок SB2 або
SB3 напруга на вході відповідного порту буде рівною 0 В. При натисненні кнопок
SB1 або SB4 на вхід порту буде надходити напруга, рівна половині напруги
живлення. Для ділення напруги навпіл опори резисторів повинні бути
однаковими. Виберемо опори резисторів R5-R8 рівними 10 кОм. Кнопки SB1-SB4
вибираємо низьковольтні тактові з виводами для поверхневого монтажу – типу
SDTM-630-N [12].

3.3. Вибір та підключення дисплея

Для виведення результату вимірювання та параметрів меню при
налаштовуванні пристрою використаємо рідкокристалічний дисплей HG1.
Вибираємо в якості HG1 рідкокристалічний індикатор типу MT-10T7-7 [13].
Зовнішній вигляд дисплея показано на рисунку 3.4. Він підключається до
мікроконтролера DD1 4-провідною шиною адресу/даних та 2-провідною шиною
керування.

Рис. 3.4. Зовнішній вигляд дисплея MT-10T7-7

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Внутрішня будова індикатора показана на рисунку 3.5. Він складається з
вбудованого контролера та саме рідкокристалічної панелі. Основні параметри
індикатора MT-10T7-7:
• формат виводу інформації – 10 знакомісць (цифра з точкою);
• напруга живлення – від 3 до 5 В;
• струм споживання – 30 мкА;
• розмір зображення – 56 х 12 мм;
• габарити індикатора – 66 х 31,5 мм.
Резистор R15 призначений для встановлення необхідного контрасту
зображення. Згідно рекомендації виробника вибираємо його рівним 200 кОм. При
зменшенні опору резистора R15 до нуля – контраст збільшується до максимуму.

Рис. 3.5. Внутрішня будова РК-індикатора MT-10T7-7

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. Арк. 35
№ докум. Підпис Дата

Таблиця 3.1.
Призначення виводів РК-індикатора MT-10T7-7

Найменування Призначення
A0 Вибір адресу (при A0= «L») або даних (при A0=«H»)
WR2 Запис в модуль, активний рівень «L»
WR1 Запис в модуль, активний рівень «H»
DB3 Шина адресу/даних
DB2 Шина адресу/даних
DB1 Шина адресу/даних
DB0 Шина адресу/даних
GND Загальний контакт
V0 Керування контрастністю
+E Живлення модуля

3.4. Підключення світлового та звукового індикатора

До порту RB4 мікроконтролера DD1 підключено світловий індикатор.
Вибираємо світлодіод HL1 типу АЛ307БМ [14]. Його основні параметри:
• колір світіння – червоний;
• довжина хвилі випромінювання – 655 нм;
• розмір лінзи – 5 мм;
• рекомендований прямий струм – до 10 мА;
• пряме падіння напруги – 2 В.
Розрахуємо опір резистора R12 для забезпечення струму світлодіода 3 мА
за формулою:
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

U
R12 = Ж −UHL1 5В − 2В
= =1кОм . (3.1)
IHL1 3мА

Індикатор HL1 виводиться на передню панель вимірювача рівня рідини,
поруч з дисплеєм та панеллю керування.
До порту RA4 мікроконтролера DD1 підключено звуковий індикатор.
Виберемо випромінювач BA1 типу HPA17F [15]. Його основні параметри:
• тип випромінювача – п’єзоелектричний;
• резонансна частота – 4 кГц;
• номінальна робоча наруга – 5 В;
• максимальний струм – 1 мА;
• інтенсивність звуку – 78 дБ.
Завдяки малому робочому струму п’єзоелектричних випромінювачів, їх
можна підключати безпосередньо до виводів мікроконтролера.

3.5. Підключення електромагнітних реле

Для керування вимірювачем рівня виконавчими пристроями автоматики
застосовані два реле – K1 та K2 Вибираємо реле з напругою спрацювання 5 В
типу 833H-1C-C 05VDC [16]. Основні параметри реле:
• тип реле – електромагнітне;
• контактний набір – 1 перемикальний контакт;
• максимальна напруга ланцюга комутації – 250 В;
• максимальний струм ланцюга комутації – 7 А;
• номінальна робоча напруга обмотки – 5 В;
• струм спрацювання – не більше 73 мА;
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• опір обмотки – 69 Ом;
• матеріал контактів – AgSnO.
Для підключення електромагнітного реле до порту мікроконтролера
необхідно застосовувати транзисторний підсилювач струму. При високому
логічному рівні на портах RB5 та RB6 відкриваються відповідно транзистори VT3
та VT4 – і реле K1 та K2 спрацьовують.
Вибираємо транзистори VT3 та VT4 з достатнім струмом колектора та
коефіцієнтом передачі – типу 2N3904 [17].
Основні параметри транзисторів 2N3904:
• структура – N-P-N;
• максимальний струм колектора – 200 мА;
• максимальна напруга «колектор-емітер» – 40 В;
• напруга насичення «колектор-емітер» – 0,3 В;
• статичний коефіцієнт передачі струму h21е – понад 300.
Розрахуємо максимальний струм бази транзистора VT3 та максимальний
опір резистора R18, необхідний для відкривання VT3:

IК .VT3 UЖ −U
I = = К−Е.VT3 5В − 0,3В
Б .VT3 = = 0,23 мА , (3.2)
h21e RK1 h21e 69Ом 300

U −U
R18  1 Б−Е.VT3 5В − 0,6В
 =19 кОм , (3.3)
IБ .VT3 0,23мА

Вибираємо опори резисторів R18 та R25 – 10 кОм.
Захисні діоди VD7 та VD11 вибираємо розповсюджені типу SM4007 [18] з
параметрами:
• максимальна зворотна напруга – 1000 В;
• максимальний прямий струм – 1 А.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Контактні групи реле K1 та K2 підключаються до роз’єму живлення X1.
Вибираємо його типу CWF-6R [19] з параметрами контактів:
• робоча напруга – до 250 В;
• робочий струм – до 3 А.

Таблиця 3.2.
Призначення виводів роз’єму живлення Х1
№ контакту Призначення
1-2 Підключення 2-го виконавчого пристрою
3-4 Підключення 1-го виконавчого пристрою
5 Вхідна напруга живлення мережевого адаптера
6 Загальний контакт

3.6. Вибір та підключення датчика температури

Швидкість ультразвуку не є постійною величиною, одним з факторів, що
впливають на неї – це температура навколишнього середовища. На рисунку 3.6
показана залежність цих параметрів – при підвищенні температури швидкість
ультразвуку зростає [20].
Для дистанційного вимірювання температури найкраще підходять цифрові
термодатчики. Виберемо датчик типу DS18S20 компанії «Maxim/Dallas
Semiconductor Inc.». Цей термодатчик працює на однопроводній шині 1-Wire.
Основні параметри DS18S20 [21]:
• напруга живлення – 3…5,5 В;
• діапазон вимірювання температури – -55...+125С;
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• точність вимірювання в діапазоні -10...+85С – ±0,5С;
• розрядність АЦП – 9 біт;
• тип корпусу – TO-92.
Внутрішня будова термодатчика DS18S20 показана на рисунку 3.7.
Термодатчик DD2 підключається до порту RB7 мікроконтролера DD1 через
роз’єм X3. В мікроконтролері потрібно програмно включити підтягаючий
резистор по входу порту RB7. Виберемо роз’єм X3 типу AUB-33 [22].

Рис. 3.6. Залежність швидкості ультразвуку в повітрі від температури

Рис. 3.7. Внутрішня будова термодатчика DS18S20

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. Арк. 40
№ докум. Підпис Дата

3.7. Вибір п’єзоелектричного елемента

П’єзоелектричні елементи для використання в схемах ехолокації
розділяються по функціональному призначенню – приймачі (датчики), передавачі
(випромінювачі) та універсальні приймачі-передавачі. Також вони розрізняються
за діаграмою направленості, робочою частотою, герметичністю корпусу, областю
застосування тощо.
Виберемо для даного пристрою п’єзоелектричний елемент типу MA40E7S-
1 фірми «Murata Manufacturing» [23]. Його основні параметри:
• призначення – датчик-випромінювач;
• конструкція – герметична, вологозахищена;
• робоча частота – 40 кГц;
• направленість – симетрична, 75°;
• роздільна здатність – 9 мм;
• максимальна напруга – 100 В;
• діапазон робочих температур – -30 … +85 °С.
Вибраний п’єзоелектричний елемент за робочою частотою та роздільною
здатністю задовольняє технічному завданню. Завдяки герметичному
вологозахищеному корпусу його можна використовувати в схемах вимірювання
рівня рідини.
Частотна характеристика п’єзоелемента MA40E7S-1 має максимум на
частоті 39,8 кГц (рис.3.8). При необхідності в програмі вимірювача рівня можна
передбачити ручну корекцію робочої частоти ехолокації або додати режим
автоналаштування.

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
41
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.8. Рівень звукового тиску MA40E7S-1 в залежності від частоти

3.8. Розрахунок підсилювача потужності

Мікроконтролер DD1 періодично генерує пачки імпульсів, які передаються
п’єзоелементом. Через деякий час надходить ехосигнал. Порахувавши часову
затримку, мікроконтролер визначає відстань до рідини. Згідно завдання, частота
слідування сигналів – 2 Гц. Визначимо діапазон часових TЗ затримок при
можливій відстані L від 0,5 до 10 м та при швидкості ультразвуку VЗВ = 331 м/с:

min 2  Lmin 2 0,5м
TЗ = = = 3 мс , (3.5)
VЗВ 331м с

2  Lmax
max 2 10м
TЗ = = = 60 мс . (3.6)
VЗВ 331м с

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.9. Передавання та прийом ультразвукового імпульсу

Для збільшення амплітуди сигналу на виводах п’єзоелемента
використовується підсилювач потужності, схема якого зображена на рисунку
3.10. Підсилювач живиться від двополярної напруги ±40 В, тому транзистори
VT1, VT2 необхідно вибирати з допустимою напругою «колектор-емітер» не
менше 80 В. Вибираємо комплементарну пару транзисторів – VT1 типу 2SA970
(P-N-P) [24], VT2 типу 2SC2240 (N-P-N) [25]. Їх основні параметри:
• максимальний струм колектора – 100 мА;
• максимальна напруга «колектор-емітер» – 120 В;
• статичний коефіцієнт передачі струму h21е – понад 200.
Транзистори працюють не в лінійному, а в ключовому режимі – коли один
з них відкривається, то другий обов’язково закритий. Але для пригнічення
можливих імпульсів наскрізного струму в ланцюгах колекторів додані резистори
R9 та R10. Виберемо їх опори 27 Ом. Резистори R2 та R3 необхідні для надійного
запирання транзисторів при відсутності вхідного сигналу. Вибираємо R2 та R3
опором 10 кОм. Ємності конденсаторів в диференційних ланцюгах C1R2 та C2R3
розрахуємо для пропускання імпульсів частотою вище 10 кГц.

1 1
C1= = =1,6 нФ . (3.7)
2  FН R2 2  10кГц 10кОм

Вибираємо конденсатори C1 та C2 ємністю 2200 пФ, а С16 – 0,1 мкФ.
Робоча напруга цих конденсаторів повинна бути не менше 100 В.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
43
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.10. Схема підсилювача потужності

Захисні діди VD1-VD4 вибираємо імпульсні типу BAS32L [26] з
параметрами:
• максимальна зворотна напруга – 75 В;
• максимальний прямий струм – 0,2 А.
Підтягаючий резистор R1 вибираємо опором 10 кОм, а обмежувальний R4
повинен бути значно меншим опором – 100 Ом. Гніздо для підключення
п’єзоелемента X2 вибираємо типу ST-215N-06 [27].

3.9. Розрахунок підсилювача-обмежувача та детектора

Для реалізації функцій підсилювача-обмежувача та детектора застосуємо
багатофункціональну мікросхему µPC1490HA, яка призначена для обробки
сигналів від інфрачервоних пультів керування, робоча частота яких знаходиться в
межах від 30 до 56 кГц (найчастіше – 38 кГц). Частотний діапазон ІМС
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

µPC1490HA перекриває й робочу частоту п’єзоелемента вимірювача рівня – 40
кГц, тому її використання цілком виправдане.
Будова багатофункціональної ІМС µPC1490HA показана на рис. 3.10.

Рис. 3.11. Будова багатофункціональної мікросхеми µPC1490HA

ІМС µPC1490HA не тільки підсилює вхідний сигнал, але й виділяє обвідну
сигналу. Основні параметри µPC1490HA [28]:
• межі робочої частоти – 30 … 60 кГц;
• типове підсилення сигналу – 86 дБ;
• напруга живлення – 4,5 … 5,5 В;
• струм споживання – до 2,5 мА;
• корпус – SIP-8.
Схема підсилювача-обмежувача та детектора показана на рисунку 3.12.
Мікросхема µPC1490HA DA2 має типове включення. Підстроювальний резистор
R17 дозволяє регулювати чутливість приймальної частити вимірювача рівня
рідини.

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.12. Схема приймальної частини вимірювача

Рис. 3.13. Залежність підсилення ІМС µPC1490HA від вхідної частоти

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.14. Залежність робочої частоти ІМС µPC1490HA від опору R22

На рисунку 3.13 показана амплітудно-частотна характеристика
багатофункціональної мікросхеми µPC1490HA. Вона має чітко виражений пік на
робочій частоті.
Частота максимуму АЧХ µPC1490HA може змінюватись від 30 до 60 кГц в
залежності від опору резистора R22. Графік цієї залежності показано на рисунку
3.14. Для вибору робочої частоти 40 кГц опір R22 повинен становити 150 кОм.
Інші елементи вибираємо згідно рекомендації виробника ІМС µPC1490HA:
резистор R21 опором 5,1 кОм, R24 опором 51 Ом, підстроювальний R17 – 1 кОм,
конденсатор С8 ємністю 0,01 мкФ, С9 – 0,47 мкФ, С10 – 4,7 мкФ х 16 В, С12 –
330 пФ, С15 – 10 мкФ х 16 В.
Захисні діди VD5, VD6 вибираємо імпульсні типу BAS32L,
обмежувальний резистор R13 – 1 кОм.
Ланцюг R13С7 повинен пропускати частоти нижче 80 кГц, а R13С5 – вище
20 кГц. Розрахуємо ємності С5 та С7:
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. 47
Арк. № докум. Підпис Дата

1 1
C5 = = = 8 нФ , (3.8)
2  FН R13 2  20кГц 1кОм

1 1
C7 = = = 2 нФ . (3.9)
2  FВ R13 2  80кГц 1кОм

Вибираємо конденсатор С5 ємністю 8200 пФ, а С7 – 2200 пФ.
Вихідний сигнал DA2 надходить до порту RB0 мікроконтролера DD1.
Налагодження приймальної частини вимірювача рівня рідини зводиться до
встановлення необхідної чутливості за допомогою підстроювального резистора
R17. Це потрібно для можливості використовувати спроектований пристрій в
резервуарах різного розміру.
При заміні BQ1 MA40E7S-1 на п’єзоелемент з іншою резонансною
частотою необхідно скоректувати частоту генерації в програмі пристрою та
змінити опір резистора R22 згідно графіка на рис. 3.13.

3.10. Розрахунок перетворювача напруги

Для живлення підсилювача потужності необхідна стабілізована
двополярна напруга ±40 В. Струм, що споживається по цій напрузі є імпульсним.
Тривалість імпульсу складає 1 мс, період слідування імпульсів – 500 мс. Середній
струм не перевищує 5 мА.
Для формування напруги ±40 В виберемо інтегральний стабілізатор
MC33063A [29]. Він є монолітною схемою керування, що містить первинні
функції, необхідні для DC/DC-перетворювачів. Ці пристрої дозволяють
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 48

регулювання вихідної напруги, обмеження вихідного струму, мають внутрішню
температурну компенсацію.
Основні параметри перетворювача MC33063A:
• вхідна напруга – від 3 до 40 В;
• вихідний струм – до 1,5 А;
• споживчий струм – до 4 мА;
• частота перетворення – 100 кГц;
• КПД при формуванні позитивної напруги – 87,7%;
• КПД при формуванні негативної напруги – 62,2%;
• тип корпусу – PDIP-8.
На рисунку 3.15 показана внутрішня будова перетворювача MC33063A.
Він складається з генератора частоти перетворення, джерела опорної напруги 1,25
В, компаратора, схеми контролю за вихідним струмом, тригера та силового
транзисторного ключа.

Рис. 3.15. Будова DC/DC-перетворювача MC33063A

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. 49
Арк. № докум. Підпис Дата

Схема перетворювача напруги зображена на рисунку 3.16. Вихідний
ланцюг VD9, R19, R20, C14 формує позитивну вихідну напругу, а C11, VD8,
VD10, R23, C13 – негативну.
Резистор R14 визначає рівень обмеження вихідного пікового струму.
Згідно рекомендацій виробника вибираємо резистор R14 опором 0,24 Ом для
обмеження імпульсу вихідного струму на рівні 1 А, резистор R16 опором 100 Ом,
конденсатор генератора C6 ємністю 1000 пФ, дросель L1 індуктивністю 100 мкГн
типу RLB1314-101KL [30]. Фільтруючий конденсатор С3 виберемо 220 мкФ з
робочою напругою 16 В.
Резистивний подільник R19R20 визначає рівень вихідної напруги.
Вбудований компаратор порівнює напругу подільника з джерелом опорної
напруги – 1,25 В.

Рис. 3.16. Схема перетворювача напруги

Виберемо опір R19 рівний 1 кОм і розрахуємо резистор R20 для вихідної
напруги 40 В:
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
50
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

R19
UВИХ  =UОП , (3.10)
R19 + R20

U   40В 
R20 = R19   ВИХ
 −1 =1кОм   −1 = 31кОм . (3.11)
 UОП  1,25В 

Резистор R23 є навантаженням вихідної напруги -40 В, виберемо його опір
рівний ланцюгу R19R20:

R23 R19+ R20 =1кОм+31кОм = 32кОм . (3.12)

Вибираємо опори резисторів R20 та R23 – 33 кОм. При цьому вихідна
напруга складатиме:

R19 + R20 1кОм + 33кОм
UВИХ =UОП  =1,25В  = 42,5 В . (3.13)
R19 1кОм

Діоди VD8-VD10 вибираємо імпульсні типу BAS32L, конденсатори С13 та
С14 ємністю 10 мкФ і робочою напругою 100 В, конденсатор С11 –
високочастотний ємністю 0,01 мкФ.
КПД перетворювача напруги складає:

PВИХ U
 ВИХ  IВИХ
DA1 = = . (3.14)
PВХ UВХ  IВХ

Струм, що споживається перетворювачем напруги DA1 MC33063A,
складається з власного споживчого струму та струму навантаження:

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
51
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

U 
ВИХ 1 1 
I  
DA1 = IЖ .DA1 + IВИХ    + , (3.15)
UВХ 

ПОЗ НЕГ 

40В  1 1 
IDA1 = 4мА+ 5мА    +  =114 мА .
5В  0,877 0,622 

3.11. Вибір мережевого адаптера

Визначимо загальний струм, що споживається схемою по напрузі
живлення 5 В:

IЖ = IDA1 + IDA2 + IDD1 + IDD2 + IHG1 + IK1 + IK 2 , (3.16)

IЖ =114мА+ 2,5мА+ 2,75мА+1мА+30мкА+73мА+73мА= 266мА .

Для живлення вимірювача рівня потрібен мережевий адаптер з вихідною
напругою 5 В та струмом навантаження більшим за розрахований споживчий
струм. Вибираємо адаптер типу GS06E-1P1J [31] з наступними технічними
параметрами та особливостями:
• тип адаптера – імпульсний, стабілізований;
• вхідна напруга – AC 90 … 264 В;
• вихідна напруга – DC 5 В;
• вихідний струм – 0 … 1А;
• КПД – 70%;
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
52
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• рівень пульсацій – 50 мВ;
• електрична прочніть ізоляції «вхід-вихід» – 3000 В;
• захист від короткого замкнення виходу;
• захист від перевантаження;
• захист від перенапруження.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. 53
Арк. № докум. Підпис Дата

4. ОСОБЛИВОСТІ ЗБІРКИ ТА НАЛАШТУВАННЯ ПРИСТРОЮ

4.1. Складання та налаштовування пристрою

Перед збиранням пристрою мікроконтролер DD1 PIC16F628A необхідно
запрограмувати. Схема програматора показана на рис. 3.16 [32], він
підключається до персонального комп’ютера через COM-порт. При цьому
використовується безкоштовна програма «IC-Prog» [33], яка запускається в
режимі JDM-програматора. Процес завантаження даних в мікроконтролер займає
всього кілька хвилин.

Рис. 4.1. Програматор для мікроконтролера PIC16F628A

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
54
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 4.2. Програма «IC-Prog» версії 1.06С

Пристрій «Ультразвуковий вимірювач рівня рідини» збирається на
друкованій платі зі склотекстоліту. Для підвищення вібростійкості всі громіздкі
компоненти (електролітичні конденсатори, електромагнітні реле тощо) додатково
фіксуються силіконовим герметиком. На передній панелі розташовується
дисплей, світловий індикатор, звуковий індикатор та панель керування. Роз’єми
розташовують на бокових стінках.
П’єзоелемент підключається до вимірювача за допомогою 2-провідного
кабелю з подвійною ізоляцією та екрануванням, екран підключається до конт. 2
роз’єму X2. Термодатчик підключається 3-провідним кабелем з екрануванням,
екран підключається до конт. 1 роз’єму X3.
Після встановлення п’єзоелемента на об’єкті при необхідності настроюють
чутливість приймача вимірювача за допомогою підстроювального резистора R17
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

крізь передбачений отвір в корпусі пристрою. Після регулювання отвір
закривається резиновою заглушкою.
Якщо в температурній корекції показників немає потреби, термодатчик
DD2 можна не підключати. При цьому вимірювач рівня вважатиме температуру
фіксованою величиною, її значення користувач вибирає в меню.

4.2. Вплив середовища на результат вимірювання

Якщо вимірювання рівня рідини проводиться в закритому резервуарі з
певною хімічною речовиною, то потрібно враховувати, що швидкість поширення
ультразвукових коливань залежить від складу газу, яким заповнено цей резервуар.
В таблиці 4.1 показані значення швидкостей ультразвуку в деяких чистих газах.
Користувач при встановленні вимірювача рівня може скоректувати значення
швидкості в меню пристрою, якщо резервуар заповнений не повітрям.
Якщо є можливість, потрібно робити автоналаштування пристрою –
виміряти глибину порожнього резервуару, заповненого лише тим газом, який буде
присутній в робочому режимі.
Таблиця 4.1.
Швидкість поширення ультразвуку в чистих газахпри температурі 0 °С
Найменування газу Швидкість звуку, м/с
азот 334
азоту закис 263
азоту окис 324 (при 10 °С)
аміак 415
аргон 308
водень 1284
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
56
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

водень бромистий 200
водень йодистий 157
водень сірчистий 289
водень хлористий 206
вуглекислий газ СО2 259
газ світильний 453
газ сірчистий SO2 213
гелій 965
дейтерій 890
етан 308 (при 10 °С)
етил 317
кисень 316
метан 430
неон 435
повітря сухе 331
угарний газ СО 338
хлор 206

4.3. Правила встановлення вимірювача рівня рідини

Точність отриманих показників та коректна робота вимірювача рівня
рідини залежить від правильного положення пристрою в резервуарі. Найбільш
поширене розташування вимірювача показано на рисунку 4.3. Максимальна
глибина резервуару для спроектованого пристрою складає 10 м. Вимірювач
знаходить відстань до рідини (D) і, знаючи глибину резервуару (E), видає
значення рівня рідини (L). При досягнення рівня рідини до максимально
дозволеного (F) або мінімального (L=0) значення – вимірювач видає сигнал
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

тривоги. Глибина «мертвої зони» (B) – це відстань від п’єзоелемента, при якій
ехосигнал приходить настільки швидко, що мікроконтролер не встигає обробити
вхідні дані.

Рис. 4.3. Положення вимірювача рівня рідини в резервуарі

D (Distance) – відстань від датчика до продукту – від 0,5 до 10 м;
E (Empty distance) – відстань від датчика до дна резервуару – до 10 м;
L (Level) – рівень продукту в резервуарі;
F (Full level) – максимальний рівень продукту;
B (Blocking distance) – розмір «мертвої зони» – 20-30 см.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
58
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 4.4. Правильне розташування вимірювача рівня

При встановленні ультразвукового вимірювача рівня рідини слід
притримуватись наступних правил:
• якщо резервуар знаходиться на відкритому просторі, місце вводу
п’єзоелемента та термодатчика повинно захищатися від променів сонця та
опадів;
• робоча зона п’єзоелемента не повинна перекриватися струменем рідини, що
наповнює резервуар;
• положення п’єзоелемента близько 1/6 від діаметру циліндричного резервуару з
боку, протилежного трубі з рідиною, що наповнює резервуар – де рівень хвиль
мінімальний;
• робоча зона п’єзоелемента не повинна перекриватися елементами конструкції
резервуару (труби, зварні шви тощо);
• при використанні пристрою для вимірювання кількості сипучих матеріалів,
необхідно вибирати такий нахил п’єзоелемента, при якому його вісь буде
перпендикулярною до поверхні матеріалу.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. Арк. 59
№ докум. Підпис Дата

4.4. Розрахунок надійності пристрою

При розрахунку надійності електронного пристрою враховують вплив умов
експлуатації, температури та електричного режиму. Розрахунок ймовірності
безвідмовної роботи на протязі часу t годин проводиться за формулою:
m
−k  j N j
p (t)= e j=1
c ,

де kλ – поправочний коефіцієнт, що враховує умови експлуатації,
λj – інтенсивність відмов елементів j-тої групи при експлуатації в заданих умовах,
Nj – кількість елементів j-тої групи.
λj знаходиться за формулою:

 j = 0 j  j ,

де λ0j – інтенсивність відмов елементів j-тої групи при експлуатації в
номінальному режимі,
αj – поправочний коефіцієнт інтенсивності відмов j-тої групи, що враховує вплив
температури оточуючого середовища та електричне навантаження елемента.
Поправочний коефіцієнт kλ знаходиться за формулою:

k = k1 k2 k3 ,

де kλ1 – коефіцієнт, який враховує вплив механічних факторів (вібрації),
kλ2 – коефіцієнт, який враховує вплив кліматичних факторів (температура,
вологість),
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

kλ3 – коефіцієнт, який враховує умови роботи при зниженому атмосферному
тиску.
Напрацювання на відмову пристрою знаходиться за наступною формулою.

1
TСЕР.С = m .
 j N j
j=1

Пристроєм користуватимуться в таких умовах: вібрації немає, температура
від 0 до 30˚С, вологість 60–80 % та атмосферний тиск 750–770 мм рт. ст. Тому
поправочні коефіцієнти становлять kλ1 = 1, kλ2 = 2, kλ3 = 1. Отже, коефіцієнт kλ
дорівнює:

k =12 1= 2 .

Розраховуємо надійність елементів.
Коефіцієнт навантаження конденсаторів kн = 0,3...0,7. При kн = 0,5 та
температурі 20° С поправочний коефіцієнт для конденсаторів становить 0,4, а
інтенсивність відмов дорівнює 2,3 ∙ 10–6 1/год. Отже:

−6 1
С = 2,310 0,4 = 0,92 10−6
.
год

Надійність інтегральних схем (α = 0,2, λ0 = 0,02 ∙ 10–6 1/год):

−6 −6 1
DD = 0,02 10 0,2 = 0,004 10 .
год

Надійність транзисторів (α = 0,85, λ –6
0 = 0,5 ∙ 10 1/год):
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
61
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1
VT = 0,02 10−6 0,2 = 0,004 10−6
.
год

Надійність вимикачів (α = 0,3, λ0 = 3 ∙ 10–6 1/год):

1
S = 310−6 0,7 = 2,110−6
.
год

Надійність діодів (α = 0,85, λ0 = 0,5 ∙ 10–6 1/год):

1
VD = 0,5 10−6 0,85 = 0,42510−6
.
год

Надійність резисторів (α = 0,42, λ0 = 0,6 ∙ 10–6 1/год):

 = 0,6 10−6 1
R 0,42 = 0,252 10−6
.
год

Надійність індикаторів (α = 0,85, λ = 0,5 ∙ 10–6
0 1/год):

−6 1
HL = 0,5 10 0,85 = 0,425 10−6
.
год

Надійність роз’ємів (α = 0,62, λ0 = 0,45 ∙ 10–6 1/год):

 = 0,45 10−6 1
X 0,62 = 0,279 10−6
.
год

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
62
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Розраховуємо ймовірність безвідмовної роботи всієї схеми, що включає 16
конденсаторів, 4 мікросхеми, 4 транзистори, 4 вимикачі, 11 діодів, 25 резисторів,
2 індикатори, 3 роз’єми:

pC (t) = exp−1(0,92 10−6 16 + 0,004 10−6  4 + 0,004 10−6  4 +
+ 2,110−6 4+ 0,425 10−6 11+ 0,252 10−6 25+ 0,425 10−6 2+
+ 0,279 10−6 3) 0,999928.

Розраховуємо напрацювання на відмову всієї схеми:

TСЕР.С = 1 (0,92 10−6 16 + 0,004 10−6  4 + 0,004 10−6  4 +
+ 2,110−6 4+ 0,425 10−6 11+ 0,252 10−6 25+ 0,425 10−6 2+
+ 0,279 10−6 3) 27922 години .

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. 63
Арк. № докум. Підпис Дата

5.ОХОРОНА ПРАЦІ

5.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на дослідника
при роботі в дослідницькій лабораторії

В даній бакалаврській роботі проектується безконтактний пристрій для
вимірювання рівня рідини. Для розробки такого проекту необхідне використання
ПК (персональний комп’ютер). Звідси виникає потреба в забезпеченні безпечної
та продуктивної організації праці розробників при роботі з комп’ютером. Тому
необхідно проаналізувати всі параметри середовища лабораторії, які можуть
вплинути на здоров’я та працездатність дослідників, а відповідно і вплинути на
продуктивність їхньої праці.
Робота з ПК не вимагає фізичної напруги, підняття і перенесення важких
предметів, виконується сидячи. Енерговитрати не перевищують 120 кКал/год,
отже ця робота може бути віднесена до категорії важкості – легка фізична Iа (ДСН
3.3.6.042-99).
Роботи з проектування проводяться в приміщенні з такими геометричними
розмірами: довжина – 8 м, ширина - 4 м, висота – 3,2 м. Площа всього
приміщення складає 32 м2, а об’єм приміщення складає 102,4 м3. Об'ємно-
планувальні рішення будівель та приміщень для роботи з ПК відповідають
вимогам ДБН В.2.2-28:2010 та ДСанПіН 3.3.2.007–98.
Лабораторія розрахована на максимальну кількість 5 працюючих осіб.
Звідси площа, яка припадає на одну людину, дорівнює: 6,4 м2. Об’єм, який
припадає на одну людину, дорівнює 20,48 м3, що відповідає вимогам ДБН В.2.2-
28:2010. Тобто площа на одне робоче місце перевищує - 6,0 м3, а об'єм – 20,0 м3.
В приміщенні лабораторії щоденно проводиться вологе прибирання.
Приміщення лабораторії має природне та штучне освітлення відповідно до
ДБН В.2.5-28-2018.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
64
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Світло досить суттєво впливає на організм людини: в залежності від
освітлення може змінюватися візуальне сприйняття обстановки, почуття
комфорту, рівень концентрації уваги і психологічний настрій.
Тепле світло підходить для відпочинку очей. Його забезпечують галогенні,
світлодіодні лампи і лампи розжарювання. Більш того, для очей тепле світло
безпечніше холодного, так як холодне світло викликає втому.
Якщо необхідно збільшити концентрацію уваги, необхідно встановити
лампи з холодним світлом - він активізує нервову систему і підвищує
працездатність. Тому саме холодне освітлення найчастіше застосовується в
офісах.
Місцеве освітлення - освітлює тільки предмети, які звернені до джерела
світла, і допомагає сфокусуватися на виконанні конкретного завдання, наприклад,
при читанні або роботі за комп'ютером. Якщо очі швидко втомлюються,
необхідно використовувати розсіяне освітлення, оскільки воно менш інтенсивне,
ніж місцеве. Таке світло підійде для роботи, яка не вимагає напруження зору.
Найбільш важливий фактор, який впливає на зір - це рівень освітленості.
При тьмяному світлі гірше розпізнаються предмети, тому необхідно напружувати
очі, через що вони швидше втомлюються. Якщо інтенсивність освітлення занадто
висока, можуть виникнути головний біль і біль в очах. Занадто яскраве світло
дратує рецептори сітківки, що призводить до підвищеного виділення слізної
рідини. Ідеальним рішенням буде комбінація з місцевого та розсіяного освітлення
різного рівня освітленості. Таким чином світло буде більш природним.
Природне освітлення в даному приміщенні здійснюється через вікна.
Розміри трьох вікон приміщення однакові і становлять 21,5 м.
Природне освітлення змінюється в широких межах і залежить від таких
факторів, як стан хмарності та ступінь забруднення повітря. Наприклад, хмарність
верхнього ярусу атмосфери зменшує освітленість майже вдвічі, хмарність
нижнього ярусу знижує її на 38%, грозова хмарність знижує освітленість на 87%.
Забруднення атмосферного повітря пилом, димом і газами зменшує природну
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
65
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

освітленість на 25-40% і значною мірою затримує біологічно активну УФ-
короткохвильову частину сонячного випромінювання. Це негативно позначається
на безпеці життєдіяльності людини і може призвести до зміни частоти пульсу,
уповільнення деяких процесів обміну речовин, вплинути на загальний нервово-
психічний стан. При високих інтенсивностях УФ-випромінювання викликає опіки
шкіри, а проникаючи в око, призводить до опіку сітківки ока, що може
спричинити часткову чи повну втрату зору.
Штучне освітлення призначене для освітлення робочих місць у темний час
доби, чи при недостатньому природному освітленні. У відповідності з ДБН В.2.5-
28-2018 розряд зорової роботи працівника лабораторії – високої точності.
Найменший розмір об’єкту розрізнення 0,26 – 0,28 мм. Відповідно розряд та під
розряд зорової праці  – В. Норма штучного освітлення 400 лк. Нормоване
природне освітлення КПО = 1,5 %, фактичне значення (еф) КПО становить 14 –
17,5 %, що відповідає вимогам ДБН В.2.5-28-2018.
В якості джерела світла при штучному освітленні використовуються 6
світильників ЛСП 47М - 2×36, кожен з яких має дві люмінесцентні лампи
потужністю по 36 Вт, та відповідні розміри світильників - 1270×150×100 (мм).
Вони розташовані рівномірно на стелі центровано відносно кімнати,
забезпечуючи достатнє загальне освітлення робочих місць. Відстані вибрані з
врахуванням розмірів світильників та стелі.
Фактичний рівень штучного освітлення становить 250-270 лк. Отже, рівень
штучного освітлення на робочому місці не є достатнім відповідно ДБН В.2.5-28-
2018. Система загального штучного освітлення потребує модернізації
Важливою умовою безпеки людини, що перебуває перед екраном, є
правильний вибір візуальних параметрів дисплея та світлотехнічних умов
робочого місця. Робота з дисплеями при неправильному виборі яскравості й
освітленості екрана, контрастності знаків, їх кольорів, за наявності відблисків на
екрані, тремтіння та мерехтіння зображення призводить до зорового стомлення,
головного болю, значного психофізіологічного навантаження, погіршення зору.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
66
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Умови праці в дослідницькій лабораторії по відношенню до візуальних
параметрів дисплея повністю відповідають вимогам НПАОП 0.00-7.15-18.
Під виробничим мікрокліматом розуміють стан повітряного середовища
виробничого приміщення, який визначається температурою, відносною
вологістю, рухом повітря та тепловим випромінюванням нагрітих поверхонь, що в
сукупності впливають на тепловий стан організму людини. В процесі трудової
діяльності людина перебуває у постійній тепловій взаємодії з виробничим
середовищем. За нормальних мікрокліматичних умов в організмі працівника,
завдяки терморегуляції, підтримується постійна температура тіла (36,6 °С).
Для нормального теплового самопочуття людини важливо забезпечити
певне співвідношення температури, відносної вологості та швидкості руху
повітря, тобто певні мікрокліматичні умови. Такі умови визначаються, в
основному, категорією роботи, що виконується, та періодом року і можуть бути
оптимальними та допустимими.
Відповідно до ДСН 3.3.6.042-99 у виробничих приміщеннях та робочих
місцях з ПК мають забезпечуватись оптимальні значення параметрів мікроклімату
Параметри мікроклімату обираються відповідно до вимог ДСН 3.3.6.042-99
з урахуванням категорії робіт по енерговитратам для теплого й холодного
періодів року. При роботі студента на ПК повинні бути забезпечені оптимальні
параметри мікроклімату, приведенні нижче:
1. Температури повітря:
• В теплий період року – 23 - 25 °С (допустима – 22 - 28 °С);
• В холодний період року – 22 - 24 °С (допустима – 21 - 25 °С).
2. Вологість повітря:
• В теплий період року – 40 -60 %;
• В холодний період року – 40 - 60 %.
3. Швидкість руху повітря:
• В теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1...0,2 м/с);
• В холодний період року – 0,1 м/с (допустима – менше 0,1 м/с).
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. Арк. 67
№ докум. Підпис Дата

Фактичні значення даних параметрів становлять:
1. Температури повітря в теплий період року – 24 - 26 °С, в холодний період
року – 21 - 22 °С .
2. Вологість повітря в теплий період року – 48 - 52 %, в холодний період
року – 51 - 56 %.
3. Швидкість руху повітря в теплий період року – 0,09 м/с, в холодний
період року – 0,06 м/с.
Фактичні параметри мікроклімату відповідають нормативним вимогам
згідно ДСН 3.3.6.042-99.
Одним з найбільш поширеніших чинників зовнішнього середовища, який
несприятливо впливає на людину, є шум. Вплив шуму на організм людини
залежить від рівня звукового тиску, частотних характеристик, тривалості дії, а
також індивідуальних особливостей людини.
При тривалій дії шуму на людину при роботі з ПК виявляються симптоми
утомленості, нервового збудження, що сприяють погіршенню працездатності і
допущенні помилок при роботі. Для уникнення шкідливої дії шуму на організм
працюючого, необхідне дотримання нормованих параметрів, які не повинні
перевищувати допустимих величин. При роботі на комп’ютері рівень шуму
відповідно до ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку
та інфразвуку» не повинен перевищувати 50 дБ. Фактичне значення рівня шуму
становить 44-47 дБ що відповідає вимогам ДСН 3.3.6.037-99.
Під час виконання робіт на ПК значення характеристик вібрації на робочих
місцях не перевищують допустимих значень, визначених ДСН 3.3.6.039-99
«Державні санітарні норми виробничої загальної та локальної вібрації».
На даний час відомо, що всі діапазони електромагнітного випромінювання
впливають на здоров'я і працездатність людей і мають віддалені наслідки. Вплив
електромагнітних полів на людину в силу їх великої поширеності більш
небезпечний, ніж вплив радіації. Електричні поля промислової частоти оточують
людину цілодобово, завдяки випромінюванням від електропроводки,
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
68
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

освітлювальних засобів, побутових електроприладів, ліній електропередач і т.п.
Енергетичне навантаження від електромагнітних випромінювань в промисловості
і в побуті зростає постійно в зв'язку зі стрімким розширенням мережі джерел
фізичних полів електромагнітної природи, а також зі збільшенням їх
потужностей. Людина не здатна фізично відчувати оточуюче електромагнітне
поле, проте воно викликає зменшення його адаптивних резервів, зниження
імунітету, працездатності, під його впливом у людини розвивається синдром
хронічної втоми, збільшується ризик захворювань. Особливо небезпечна дія
електромагнітних випромінювань на дітей, підлітків, вагітних жінок і осіб з
ослабленим здоров'ям.
На робочих місцях працівників лабораторії величина напруженості
електромагнітного поля не перевищує нормативне значення, визначене в ДСНіП
3.3.6.096-2002 та ДСанПіН 3.3.2-007-98.
Електропроводка живлячої мережі в даному приміщенні прихованого типу
– знаходиться с стінах під шаром штукатурки. Приміщення лабораторії
відноситься до приміщень без підвищеної небезпеки ураження людини
електричним струмом. Системний блок комп’ютера та корпуси інших приладів
мають металевий корпус, тому згідно ДСТУ Б В.2.5-82:2016 в лабораторії
передбачена магістраль захисного заземлення.
Інструктаж з техніки електробезпеки, що проводиться з працівниками
лабораторії, складений з врахуванням вимог ДСТУ Б В.2.5-82:2016, відповідно
НПАОП 0.00-4.12-05.
Під час роботи з електрообладнанням працівник зобов'язаний виконувати
ряд правил, а саме:
- при раптовому припиненні подачі електроструму потрібно негайно
вимкнути електрообладнання;
- категорично забороняється ремонтувати електрообладнання, вмикати
та вимикати його, якщо це не передбачено в ході роботи;
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
69
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- категорично забороняється проводити будь-які перемикання на
головному розподільному щиті;
- не знімати запобіжні кожухи;
- у випадку виявлення неполагодженого електрообладнання,
вимірювальних приладів і дротів, терміново вимкнути напругу;
- у випадку враження електричним струмом слід терміново
звільнити потерпілого від дії струму і прийняти міри по наданню першої
допомоги, при необхідності викликати лікаря.
Лабораторія відноситься до приміщень з категорією вибухопожежо-
небезпеки типу В, згідно з ДСТУ Б В.1.1-36:2016 «Визначення категорій
приміщень, будинків та зовнішніх установок за вибухопожежною та пожежною
небезпекою». Тому в даному приміщенні забезпечуються необхідні заходи щодо
протидії виникнення пожежонебезпечних ситуацій згідно з НАПБ А.01.001-2014.
План евакуації розміщений на стіні з вільним доступом до неї відповідно до ДБН
В.1.1.7-2016. Для попередження пожеж в лабораторії використовується
електрична пожежна сигналізація променевого типу та теплові датчики типу ИП-
105-05 ПС у кількості 6 шт відповідно ДБН В.2.5.56-2014 «Системи
протипожежного захисту».
Приміщення обладнане порошковим вогнегасником ВП-6, який закріплений
у підставці на стіні поряд з дверима, відповідно «Правил експлуатації та типових
норм належності вогнегасників».
Режим праці та відпочинку працівників визначається державними са-
нітарними правилами і нормами роботи з ПК - ДСанПіН 3.3.2-007-98. При цьому
враховуються насиченість і напруженість праці, вид і категорія трудової
діяльності.
Навантаження на організм в процесі праці, яке вимагає періодичних фі-
зичних зусиль і відповідного енергетичного забезпечення і пов'язане переважно з
інтенсивною роботою головного мозку, кваліфікують як напруженість праці.
Працівники лабораторії підлягають обов'язковим медичним оглядам:
попереднім – при влаштуванні на роботу (навчання) і періодичним – протягом
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
70
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

трудової діяльності, відповідно до наказу МОЗ України № 246 від 21.05.2007 р.
Періодичні методичні огляди мають проводитись раз на два роки комісією в
складі терапевта, невропатолога та офтальмолога. До складу комісії, що
проводить попередні та періодичні медичні огляди, при необхідності (за
наявністю медичних показань), можуть залучатись до оглядів лікарі інших
спеціальностей.
Основними критеріями оцінки придатності працівників до роботи з ПК є
показники стану органів зору: гострота зору, показники рефракції, акомодації,
стану бінокулярного апарату ока тощо. При цьому необхідно враховувати також
стан організму в цілому. Жінки, що працюють з ПК, обов'язково оглядаються
акушером-гінекологом один раз на два роки.
В результаті проведеного аналізу, дослідна лабораторія відповідає всім
нормам, за виключенням штучного освітлення. Для запобігання ушкодження
чи погіршення зору співробітника лабораторії, а відповідно і забезпечення
вищої продуктивності праці необхідно провести модернізацію системи
штучного освітлення.

5.2. Модернізація системи штучного освітлення

Раціонально виконане освітлення виробничих приміщень надає позитивного
психофізіологічного впливу на працюючих, сприяє підвищенню якості продукції
та продуктивності праці, забезпеченню її безпеки, знижує втому і травматизм на
виробництві, зберігає високу працездатність в процесі праці.
До освітлення надаються певні вимоги:
• освітлення на робочих місцях повинно бути достатнім для виконання
даної роботи;
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
71
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• освітлення повинно бути рівномірним по робочій поверхні;
• на робочій поверхні не повинно бути тіні, особливо рухливої;
• в полі зору не повинно бути прямого і відбитого блиску;
• величина освітленості повинна бути постійною в часі;
• спектральний склад світла повинен відповідати характеру роботи;
• освітлювальні установки не повинні бути джерелом додаткових
небезпек та шкідливостей;
• установки повинні бути економні, прості та надійні в роботі.
Для створення оптимальних умов зорової роботи слід кількість та якість
освітлення пов'язувати з кольоровим оточенням. Так, якщо інтер’єр зафарбований
у темні кольори, то для створення гарної освітленості необхідно використовувати
більш потужні джерела світла, оскільки темнш поверхні поглинають значну
частину світлового потоку та створюють контрастні світлотіні, що втомлюють
очі. Причиною втомлюваності може служити також надмірна блискучість
поверхней оточуючих конструкцій. Блискучі поверхні створюють свiтловi бліки,
якi викликають тимчасове осліплення. Нерівномірність освітлення та різна
блискучість оточуючих предметів приводить до частої переадаптацiї очей під час
роботи та внаслідок цього - до швидких втомлення органів зору. Тому добре
освітлення поверхні, що знаходяться в колі зору, краще зафарбовувати у кольори
середньої освітленості.
Природне освітлення передбачається в приміщеннях з постійним
перебуванням людей у відповідності з вимогами ДБН В.2.5-28-2018 «Природне і
штучне освітлення». Природне освітлення приміщень може бути бічним
(однобічним та двобічним), верхнім і комбінованим (бічне та верхнє) освітлення.
За конструктивним виконанням штучне освітлення може бути загальним і
комбінованим (до загального додається місцеве, встановлене безпосередньо на
робочих місцях). Використання тільки місцевого освітлення забороняється.
Штучне освітлення за призначенням поділяється на:
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
72
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• робоче, призначене для виконання виробничого процесу;
• аварійне, забезпечує мінімальне освітлення на робочому місці для
продовження роботи при відключенні робочого освітлення;
• евакуаційне, призначене для евакуації людей з приміщення при
відключенні робочого освітлення, встановлюється в місцях пе-
ресування людей;
• чергове, освітлення поза робочим часом.
В якості джерел світла для освітлення застосовують газорозрядні лампи і
лампи розжарювання.
Величина необхідного освітлення на робочих місцях виробничих
приміщень нормується за ДБН В.2.5-28-2018 «Природне і штучне освітлення».
При штучному освітленні нормується величина освітленості в люксах (Лк), яка
вибирається у залежності від характеристики зорової праці з урахуванням
найменшого розміру об'єкта розрізнення, фона, контрасту об'єкта розрізнення з
фоном. Наприклад, при роботі з вимірювальними приладами найменший розмір
об'єкта розрізнення визначається товщиною лінії градуювання шкали, а при
креслярських роботах - товщиною найменш тонкої лінії на кресленні. По
найменшому розміру об'єкта розрізнення визначається точність виконуваної
роботи (розряди з І по VІІI).
Розрахунок штучного освітлення на робочому місці.
Розрахунок штучного освітлення виконується за методом коефіцієнту
використання світлового потоку для приміщення лабораторії з такими
геометричними розмірами (довжина (А) – 8 м, ширина (В) - 4 м, висота – 3,2 м).
1. Основною задачею розрахунку штучного освітлення є визначення
необхідної кількості світильників N для забезпечення нормативного рівня
штучного освітлення за формулою:

\
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
73
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

EН S  z K
N = З (5.1)
n FЛ 
де EН - нормоване загальне штучне освітлення, лк (Ен = 400);
Кз - коефіцієнт запасу, який враховує зниження освітлення в процесі
експлуатації (для даного приміщень Кз = 1,5);
S = А·В - освітлюєма площа приміщення, м2 (А–довжина приміщення, В –
ширина приміщення),

S = А·В = 8·4 =32 м2;

z - коефіцієнт мінімального освітлення; z=1,1 (для люмінесцентних ламп);
n - кількість ламп у світильнику;
Fл - світловий потік лампи;
 - коефіцієнт використання світлового потоку, відн. од.
2. Відповідно типу приміщення приймаємо тип світильника APOLLO
RAST-418N. Для обраного типу світильника уточнюється кількість ламп у
світильнику – n = 4 та їх потужність Pi =18 Вт.
3. Світловий потік люмінесцентної лампи Fл відповідно потужності лампи
(Fл = 1250).
4. Визначення індексу приміщення і:

A B
i = (5.2)
(H − 0,8)  (A +B)

де А, В і Н – довжина, ширина та висота приміщення, м;

8 4
i = =1,111
(3,2 − 0,8)  (8+ 4)
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
74
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

5. Коефіцієнт використання світлового потоку  залежить від групи
світильника та індексу приміщення i ( = 50 %).
6. Після визначення усіх параметрів, що необхідні для розрахунку кількості
світильників N, розраховуємо N за формулою (7.1):

EН S z KЗ 400 32 1,11,5
N = = = 8,448
n FЛ  4 1250 0,5

7. Отриману кількість N округлюємо до цілого значення в більшу сторону,
тобто необхідна кількість світильників рівна 9.

Рис. 5.1. Зовнішній вигляд світильника APOLLO RAST-418N

Технічні характеристики світильника:
1. Номінальна напруга живлення – 220В / 50 Гц
2. Корпус – штампована листова сталь, покрита білою порошковою фарбою
3. Довжина – 610 мм
4. Ширина – 595 мм
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
75
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

5. Висота – 80 мм
6. IP20
7. Тип цоколя – G13
8. Кількість ламп – 4х18 Вт
9. Відбивач – полірований алюмінієвий параболічний профіль з 5-ма
поперечними пластинами.
10. Тип лампи – лінійні люмінесцентні лампи Т10.
В результаті проведеного розрахунку 6 світильників ЛСП 47М - 2×36
необхідно замінити на 9 APOLLO RAST-418N для того щоб в дослідницькій
лабораторії підтримувався рівень освітлення, котрий відповідає вимогам ДБН
В.2.5-28-2018.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
76
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ

В даній випускній кваліфікаційній роботі бакалавра розроблено
безконтактний пристрій для вимірювання рівня рідини, який можливо
використовуються в різноманітних хімічних апаратах, парових котлах,
резервуарах, трубопроводах та інших герметичних пристроях,
Значний інтерес для різних галузей промисловості представляють
вимірювачі рівня, робота яких побудована на використанні ультразвукових
коливань. Ультразвуковий датчик не має рухомих частин і може бути
встановлений без безпосереднього контакту з рідиною, рівень якої необхідно
вимірювати.
Принцип дії ультразвукового рівнеміріа полягає у вимірюванні часу
проходження ультразвукової хвилі від датчика до лінії розділу "рідина-газ" та
назад. Отримавши відбитий ехосигнал і визначивши цю тривалість часу, а також
знаючи швидкість поширення ультразвукових коливань в цьому середовищі,
можна дізнатись потрібну висоту рівня рідини і як результат – загальний об’єм
рідини.
При розробці електричної схеми було застосовано спеціалізований
п’єзоелектричний елемент датчик-випромінювач з герметичним вологозахищеним
корпусом та високою точністю вимірювання – MA40E7S-1 фірми «Murata
Manufacturing».
Для генерації та обробки ультразвукових сигналів застосовано сучасний
мікроконтролер PIC16F628A компанії «Microchip Technology Inc.». Для виведення
результатів вимірювання застосовано текстовий LCD-дисплей MT-10T7-7
компанії «МЭЛТ», а також звуковий п’єзоелектричний та світловий світлодіодний
індикатори.
Спроектований пристрій можна встановлювати як на панелі керування
оператора технологічного процесу з дистанційним підключенням п’єзоелемента,
так і безпосередньо на робочому об’єкті.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
77
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Особливістю вимірювача рівня рідини є наявність двох релейних виходів,
пороги спрацювання яких програмує користувач. Ці релейні виходи можна
використовувати: як логічні виходи для підключення до основної системи
автоматики; як датчики ланцюгів системи сигналізації; як силові перемикачі для
автономного керування насосом або електромагнітним клапаном для
забезпечення необхідного рівня рідини.
Також спроектований вимірювач рівня рідини має можливість коректувати
показники з врахуванням температури навколишнього середовища, що підвищує
точність вимірювання – пристрій не потребує додаткового налагодження при
зміні пори року.
При розрахунку надійності були визначені ймовірність безвідмовної
роботи pc(t) та середній час напрацювання на відмову Тсер.с . Відповідно,
pc(t) = 0,999928, а Тсер.с = 27922 години.
В розділі охорони праці було проведено аналіз небезпек та шкідливостей,
що впливають на дослідника при роботі в дослідній лабораторії та проведено
модернізацію системи штучного освітлення.
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. Арк. 78
№ докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Домаркас В. Й., Пилецкас Э. Л. Ультразвуковая эхоскопия. – Л.:
Машиностроение, 1988. – 276с., ил.
2. Акопян Б. В., Ершов Ю. А. Основы взаимодействия ультразвука с
биологическими объектами: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Баумана,
2005. – 224 с., ил.
3. Шутилов В. А. Основы физики ультразвука: Учеб. пособие. – Л.: Изд-во
Ленингр. ун-та, 1980. – 280 с., ил.
4. Балдев Р. Мир физики и техники. Применения ультразвука. – М.:
Техносфера, 2006. – 576 с., ил.
5. Бородин И. Ф., Судник Ю. А. Автоматизация технологических процессов. –
М.: КолосС, 2004. – 345 с., ил.
6. http://exportpostach.com.ua/uroven_2.html
7. http://promsouz.com/vzljot/files/vzlet_ur.pdf
8. http://www.avtomatika.info/techdokrus/uroven/Prosonic_M.pdf
9. http://uchifiziku.ru/2012/09/13/ultrazvukovoj-izmeritel-rasstoyaniya/
10. http://bezkz.su/publ/300110-29-1-0-110.html
11. http://www.tavkapcsolo-specialista.hu/Adat/Ic/PIC16F62xA.pdf
12. http://www.chipdip.ru/product/sdtm-630-n/
13. http://www.chipdip.ru/product/mt-10t7-7t/
14. http://www.chipdip.ru/product/al307bm/
15. http://www.chipdip.ru/product/hpa17f/
16. http://www.chipdip.ru/product/833h-1c-c-05vdc/
17. http://www.chipdip.ru/product/2n3904/
18. http://www.chipdip.ru/product/sm4007/
19. http://www.chipdip.ru/product/cwf-6r/
20. http://www.mega-sensor.ru/articls/2011/01/12/articls_3.html
Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
79
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

21. http://www.chipdip.ru/product/ds18s20/
22. http://www.chipinfo.ru/dsheets/connectors/catalog/AUB-33.html
23. http://www.electro-tech-online.com/microcontrollers/126149-why-pic-icsp-not-
using-txd-data.html
24. http://www.5v.ru/ic-prog.htm
25. http://www.vzljot.com.ua/files/9/1r.pdf
26. http://www.iteu.com.ua/pdf/endress-hauser/Endress+Hauser-Prosonic-FMU-
FDU.pdf
27. Основи охорони праці: підручник / М. С. Одарченко,. А. М. Одарченко, В. І.
Степанов, Я. М. Черненко. – Х. : Стиль-Издат, 2017. – 334 с.
28. Методичні вказівки до виконання випускних робіт бакалавра та дипломних
робіт для студентів напряму підготовки та спеціальності «Радіотехніка» освітньо-
кваліфікаційних рівнів «бакалавр», «спеціаліст», «магістр» усіх форм навчання /
Укл. В.В. Палагін, В.В. Філіпов. – Черкаси: ЧДТУ, 2016. – 53 с.

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
80
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

ДОДАТКИ

Акр.
СКРТ97.021.106.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. 81
Підпис Дата

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets