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
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8510| Title: | Система автоматизованого вимірювання витрат теплоносія при опаленні приміщень |
| Authors: | Гальченко, Володимир Якович Павліченко, Назар Русланович |
| Issue Date: | 15-Jun-2024 |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8510 |
| Appears in Collections: | 151 Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології (Робототехнічні системи та автоматизація) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| КРБ Павліченко Н.pdf Restricted Access | КРБ Павліченко Н. | 898.55 kB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ
КАФЕДРА ПРИЛАДОБУДУВАННЯ, МЕХАТРОНІКИ ТА
КОМП‘ЮТЕРИЗОВАНИХ ТЕХНОЛОГІЙ
Допущено до захисту
Завідувач кафедри ПМКТ
_______ М.О. Бондаренко
«___» ___________ 2024 р.
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
ДО КВАЛІФІКАЦІЙНОЇ РОБОТИ БАКАЛАВРА
на тему «система автоматизованого вимірювання витрат теплоносія при опаленні
приміщень»
Виконав здобувач освіти 4 курсу, групи РС-203СК
спеціальність: 151 – Автоматизація та комп’ютерно-
інтегровані технології
освітня програма: Робототехнічні системи та
автоматизація
_____ Павліченко Назар Русланович .
Керівник Гальченко В.Я.
Рецензент .
Кваліфікаційна робота бакалавра містить результати власних здобутків автора.
Використання ідей, результатів і текстів інших авторів мають посилання на
відповідне джерело ___________________________________________________
підпис здобувача
Черкаси – 2024
Зміст
Стор
Технічне завдання ..................................................................................... 2
Вступ ....................................................................................................... 5
1 Огляд відомих методів і засобів вимірювання на основі існуючих
аналогів…………………………………………………………………………… 7
1.1 Загальні принципи роботи теплолічильників ............................. 7
1.1.1 Теплолічильники на базі крильчатих (турбінних) витратомірів.. 8
1.1.2 Теплолічильники на базі ультразвукових витратомірів………… 11
1.1.3 Теплолічильники на базі електромагнітних витратомірів……… 13
1.2 Якими бувають теплолічильники ..................................................... 15
1.3 Документи і правила .......................................................................... 16
1.4 Проблеми пов’язані з установкою лічильників тепла ..................... 17
1.5 Огляд існуючих приладів............................................................ 17
1.5.1 Елементи, що визначають метрологічні характеристики тепло
лічильника на трубопроводах великих діаметрів ......................................... 17
1.5.2 Методи вимірів, покладені в основу роботи витратомірів, їхні
переваги та недоліки ..................................................................................... 18
1.6 Патентний пошук ............................................................................... 21
2 Обгрунтування технічного завдання……………………………. 25
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми системи 27
3.1 Розробка структурної схеми……………………………………….. 27
3.2 Розробка принципової електричної схеми ....................................... 29
4 Розрахунок елементів схеми ................................................................. 36
4.1 Розрахунок похибок………………………………………………… 36
4.2 Розрахунок схеми індикації температури........................................ 41
4.3 Розрахунок схеми індикації несправності........................................ 43
РС-203СК.024.415.001 ПЗ
Зм. Лист № докум. Підп Дата
Разр об. Павліченко Н.Р Літ. Арк Аркушів
Пров. Система автоматизованого
Гальченко В.Я.. Т 3
вимірювання витрат теплоносія
Н.контр при опаленні приміщень ЧДТУ
Тичков В.В Пояснювальна записка
Затв.
5 Технологічний розділ............................................................................ 44
5.1 Класифікація методів конструювання друкованої плати................ 44
5.2 Норми й вимоги до конструювання друкованих плат.................... 46
5.3 Аналіз елементної бази................................................................... 49
5.4 Вихідні норми топологічного конструювання друкованої плати... 50
5.5 Розрахунок параметрів електричних з’єднань друкованої плати.. 53
6 Спеціальний розділ 56
6.1 Економічне обґрунтування розробки системи……...…… 56
6.2 Охорона праці 58
Висновок..................................................................................................... 68
Список використаної літератури.............................................................. 69
Додаток А Відомість технічного проекту…...........................................
Додаток Б Список нормативної документації........................................
Додаток В Специфікація і переліки документів……………………...
Додаток Г Розрахунок на ЕОМ………………………………………..
Додаток Д Карти технологічного процесу……………………………
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 4
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Вступ
Рахувати споживане тепло нині не тільки модньо, але і вкрай корисно.
Причому твердження це вірне як для фізичних осіб, так і для юридичних. Адже
залежність пряма: чим ретельніше рахуєш — тим менше платиш. Придбати
відповідний прилад обліку не складно.
На Україні лічильники тепла виробляли близько півдесятка заводів: у
Києві, Луцьку, Львові, Харкові, Вінниці. Причому випуск теплолічильників був
далеко не єдиним і не основним їхнім виробництвом, оскільки великим попитом
дана вимірювальна техніка не користалася.
Єдиними споживачами їхньої продукції були промислові підприємства.
Про те, щоб обраховувати витрати тепла в окремих будинках чи квартирах, ніхто і
не думав: країна була безрозмірно багатою, народ за користування усіма видами
комунальних послуг платив символічні гроші.
Після розпаду СРСР справи у виробників лічильників пішли зовсім погано.
Заводи перестали купувати в них прилади, а населення ще не зважилося на
використання “лічильників” у своїх будинках. Коли ж виник реальний масовий
попит на побутові теплолічильники, більшість старих приладобудівних заводів не
зуміло швидко на нього відреагувати. Зате зробили стійку іноземні виробники
лічильників: спочатку на Україну ринув потік готових приладів через границю,
потім стали ввозити в країну вже комплектуючі, з яких споруджували майже
“вітчизняну” продукцію.
Усього до Державного реєстру засобів вимірювальної техніки, допущених
до застосування в Україні, включений 91 тип приладів обліку тепла (з них 64 типи
теплолічильників).
Попит на прилади обліку отримав масовий характер у середині 90-х років.
По-перше, стали рости ціни на воду, газ і тепло, що довгий час майже нічого не
коштували (кубометр води радянській людині в середньому обходився в 4-8
копійки). По-друге, режим економії кожної копійки в українських родинах
посилився. По-третє, заворушилися промислові підприємства, чий парк
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 5
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
вимірювальних приладів фізично і морально застарів. По-четверте, на цих
підприємствах з'явилися нові хазяїни, що уміють рахувати власні гроші.
І, нарешті, останній глобально-державний фактор. Після отримання
Україною політичної незалежності різко зросла її энергозалежність.
Упровадження системи обліку і контролю витрати енергоресурсів навряд чи не
єдиний спосіб забезпечити енергетичну безпеку.
Тому з'явилася ціла “Програма поетапного оснащення наявного житлового
фонду засобами обліку і регулювання споживання води і теплової енергії на 1996-
2002 роки”. Відповідно до постанови №483 Кабінету міністрів України від 3
липня 1995 року, починаючи з другої половини 1995 року, новобудови без
приладів обліку води і тепла в експлуатацію не здаються.
Метою даної дипломної роботи є розробка приладу який би рахував
кількість спожитої теплової енергії у замкнутих системах теплопостачання, який
можна використовувати як на великих підприємствах так і у окремих будинках чи
квартирах.
Встановлення такого приладу дасть змогу споживачам теплової енергії
заощадити значну кількість коштів і теплової енергії.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 6
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
1 Огляд відомих методів і засобів вимірювання на основі існуючих
аналогів
1.1 Загальні принципи роботи теплолічильників
Найпростіший теплолічильник сьогодні являє собою прилад, що вимірює
температуру і витрату теплоносія на вході і виході об'єкта теплопостачання
зображений на рисунок 1.1.
Система
опалення
будинку
Теплообчислювач
Рисунок 1.1 – Загальна схема системи опалення
Згідно зі звітами від датчиків, мікропроцесорний обчислювач теплових
показників безперервно вимірює втрати тепла будинку та розраховує їхню суму
протягом певного періоду. Загалом, у найпростішому сценарії, поточні втрати
тепла Q (в Гкал/година) визначаються як:
Q=G·c·(t1-t2), (1.1)
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 7
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
У подачі трубопроводу теплоносія температура вимірюється як t1, в
зворотному трубопроводі — як t2, об'єм теплоносія, що подається на об'єкт
теплопостачання, позначається як G (в тоннах на годину), а його теплоємність —
як с (в гігакалоріях на тонну на градус Цельсія).Модифікації теплолічильників:
Технічно один від одного теплолічильники відрізняються за методом
виміру витрати теплоносія. На сьогоднішній день у серійних теплолічильниках
використовуються витратоміри наступних типів:
1. Теплолічильники з витратомірами змінного перепаду тиску. На
сьогоднішній день даний метод сильно застарів і застосовується вкрай рідко.
2. Теплолічильники з крильчатими (турбінними) витратомірами. Є
найбільш дешевими приладами для виміру витрати тепла, але мають ряд
характерних недоліків.
3. Теплолічильники з ультразвуковими витратомірами. Одні із самих
прогресивних, точних і надійних на сьогоднішній день теплолічильників.
4. Теплолічильники з електромагнітними витратомірами. По якості
знаходяться приблизно на одній сходинці з ультразвуковими.
В усіх теплолічильниках датчиками для виміру температури являються
стандартні термометри опору.
1.1.1 Теплолічильники на базі крильчатих (турбінних) витратомірів
Суть даного методу виміру витрати полягає в наступному: у потік рідини
вставляється крильчатка (турбінка), швидкість обертання якої пропорційна
швидкості потоку а отже (при відомому діаметрі труби) і витраті рідини.
Відмінність крыльчатых витратомірів від звичайних водомірів полягає в тому, що
у витратомірах передбачений пристрій для дистанційної передачі сигналу про
поточний витраті по проводах до обчислювального блоку.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 8
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Теплолічильник
"Supercall"
Теплообчислювач
Шарові крани
Сітчастий
фільтр
Подаючий
трубопровід
Крильчатий
Термометри витратомір
опору
Зворотній
трубопровід
Рисунок 1.2 - Схема установки найбільш розповсюдженого з крильчатих
теплолічильників типу "Supercal", виробництва польської фірми AQUATHERM
В комплекті установки міститься крильчатий витратомір, два термометри
опору, які монтується на подаючому і зворотному трубопроводах, і
енергонезалежний теплообчислювач. Останній живиться від вбудованої літієвої
батарейки, розрахованої на п'ять років безперервної роботи.
Для захисту крильчатки витратоміра від забруднень перед ним
встановлюється сітчастий фільтр. Щоб забезпечити можливість періодичного
очищення фільтра, до і після витратоміра монтується кульові крани. Закриття цих
кранів дозволяє проводити очищення або зняття фільтра без вимушеного
вимикання системи опалення.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 9
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Теплообчислювач має рідкокристалічний дисплей, який відображає
інформацію про поточні витрати теплоносія і тепла, температуру в подаючому і
зворотному трубопроводах, час роботи приладу, а також інтегральні показники
щодо загального споживання теплоносія і тепла в будинку. Отримання цих даних
здійснюється шляхом натискання однієї кнопки на теплообчислювачі.
Усі ці характеристики, як показано на прикладі теплолічильника
"Supercal", є загальними для всіх крильчатих (турбінних) теплолічильників..
Переваги крильчатих теплолічильників:
- Відносна дешевизна. Крильчатий теплолічильник дешевше свого
ультразвукового чи електромагнітного аналога на 20-30%.
- Энергонезалежність. Прилад живиться від внутрішньої батарейки,
розрахованої на 5-10 років безперервної роботи.
- Простота зняття показань з теплообчислювача.
Недоліки крильчатих теплолічильників:
- Крильчатка і фільтр створюють додатковий гідравлічний опір у системі
опалення. У випадку затрудненої циркуляції теплоносія по будинку установка
такого витратоміра ще більш збільшить цю ситуацію.
- Крильчатка, як будь-яка рухлива деталь, поступово зношується, що
впливає на точність показань. Крім того у воді знаходяться солі і бруд, від яких
мало допомагають сітчасті фільтри. Вона відкладається на крильчатці в будь-
якому випадку. У випадку ж найменшої невідповідності показань витратоміра
величині нормованої погрішності, що визначається при метрологічній перевірці (а
вона обов'язкова 1 разів у 2 роки), витратомір ремонту фактично не підлягає. Його
можна здійснити тільки на підприємстві - виробнику, а якщо теплолічильник
імпортний (а таких більшість), то проведення ремонту витратоміра стає дуже
складним. Крім того, крильчатка дуже чутлива до гідроударів і механічних
домішок у воді, що також можуть вивести її з ладу.
- Необхідність щоденного переписування показників з дисплея
теплолічильника і ведення журналу обліку споживання теплової енергії.
Практично жоден крильчатий теплолічильник не має можливості зберігати
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 10
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
щодобову інформацію про споживання тепла, а саме таку інформацію вимагають
для звіту теплооснащуючі організації. Крім того, теплолічильник крильчатого
теплолічильника звичайно неможливо віддалити від місця установки витратоміра
більш ніж на 5-10 метрів. Наслідок - щоденне відвідування теплопункту і
переписування показань з індикатора в журнал.
1.1.2 Теплолічильники на базі ультразвукових витратомірів
Існує безліч модифікацій ультразвукових витратомірів, але основний
принцип роботи кожного з них полягає приблизно в наступному: на трубі один
напроти одного установлюються випромінювач і приймач ультразвукового
сигналу рисунку 1.3.
Ультразвуковий сигнал
Приймач Випромінювач
Напрямок потоку
рідини
Рисунок 1.3 – Загальна схема роботи ультразвукових витратомірів
Випромінювач посилає сигнал крізь потік рідини, а приймач через якийсь
час одержує його. Час затримки сигналу між моментами його випромінювання і
прийому прямо пропорційний швидкості потоку рідини в трубі: воно вимірюється
і по його величині обчислюється витрата рідини в трубопроводі. В залежності від
взаємного положення випромінювача і приймача існує близько 10 модифікацій
ультразвукових витратомірів.
Як характерний приклад ультразвукового теплолічильника розглянемо
прилад виробництва київської фірми "Sempal LTD" СВТУ-10. Комплект
установки містить у собі ультразвуковий витратомір, що представляє собою
порожню ділянку труби з установленими на ньому ультразвуковими датчиками,
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 11
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
два термометри опору, установлювані на подаючому і зворотному трубопроводах
і теплообчислювач. Останній оснащений рідкокристалічним дисплеєм, на якому
відбивається вся необхідна поточна інформація. Зчитування показів здійснюється
за допомогою комбінацій натискання двох кнопок на теплообчислювачі.
Теплолічильник має стандартний роз’єм RS-232 для підключення принтера,
комп'ютера чи адаптера з модемом до телефонної лінії для дистанційного зняття
показників.
Достоїнства ультразвукових теплолічильників:
- Висока точність, швидкодія і надійність роботи. Це пов'язано з
відсутністю у приладі механічних вузлів;
- Відсутність гідравлічного опору. Витратомір являє собою просто ділянку
порожньої труби з датчиками і не створює ніяких перешкод потоку рідини.
Установка даного лічильника не погіршить гідравлічних характеристик системи
опалення;
- Висока інформативність приладу. Прилад зберігає як інформацію про
середньодобовий, так і про середньогодинні показники за кілька попередніх
місяців. Усе це дозволяє проводити повний аналіз ефективності роботи системи
опалення і приймати правильні рішення про підвищення ефективності її роботи;
- Можливість установки теплообчислювача поза теплопунктом, що
підвищує зручність обслуговування приладу;
- Можливість дистанційного зняття показань з теплолічильника (через
модем);
- Можливість використання теплолічильника як складової частини системи
автоматичного регулювання споживання тепла;
- При наявності принтера відпадає необхідність у щоденному
переписуванні показів з теплолічильника, тому що всю необхідну для звіту
інформацію можна роздрукувати протягом декількох хвилин;
- Ремонтопридатність і простота метрологічної перевірки (1 разів у 2 роки),
можливість налагодження приладу.
Недоліки ультразвукових теплолічильників:
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 12
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
- Деякі з ультразвукових приладів вимагають для живлення мережу 220В
50Гц. При частих відключеннях електроенергії рекомендується підключати
прилад через UPS (джерело безперебійного харчування).
1.1.3 Теплолічильники на базі електромагнітних витратомірів
Дія всіх електромагнітних витратомірів засновано на принципі, що при
русі в трубопроводі рідини поперек ліній магнітного поля в ній индукується е.р.с.
Е, величина якої визначається за формулою:
E=BlVср (1.2)
де,
Магнітна індукція (В), відстань (l) між електродами, та середня швидкість
руху рідини (Vср) - основні параметри, які визначають роботу електромагнітного
витратоміра. Цей прилад можна розглядати як компактний гідродинамічний
генератор змінного струму, який генерує електромагнітну реакцію, що
пропорційна середній швидкості руху рідини, і відтак, об'єму її потоку.
Рисунок 1.4 – Схема внутрішнього пристрою будь-якого
електромагнітного витратоміра.
На схемі цифрами позначені:
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 13
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
1 - трубопровід, усередині покритий ізолюючою емаллю (немагнітна
нержавіюча сталь);
2,3 - електроди (та ж сталь, що і трубопровід);
4 - електромагніт змінного струму I.
R1-R3 - низькоомний дільник напруги, для компенсації е.р.с.
трансформаторної перешкоди.
Для зниження ємнісних перешкод ланцюги електродів (сигнал про
величину втрати Е) екрануються.
Достоїнства і недоліки електромагнітних теплолічильників.
На сьогоднішній день електромагнітні теплолічильники в плані виконання
приладу і його технічних можливостей є найбільш сучасними і мало чим
відрізняються від своїх ультразвукових аналогів. Але існує все ж і один спірний
недолік: за даними деяких досліджень при наявності визначених домішок у воді,
на електродах витратомірів можуть відкладатися солі (виникає процес
електролізу), що впливають на точність виміру витрати. На сьогоднішній день за
одними даними цей недолік має місце, за іншими - його в природі не існує.
1.2 Якими бувають лічильники
До складу теплолічильника входить один чи два лічильники гарячої води з
імпульсними виходами, мікропроцесорний теплообчислювач і пари
термоперетворювачів опору (датчиків температури). Теплообчислювач
розраховує обсяг теплоносія (протікаючої води), загальну і погодинну кількість
спожитого тепла, температуру води, кількість відпрацьованих годин та ін.
Ланцюг теплообліку доповнюють терморегулятори й індикатори тепла.
Терморегулятор — це прилад, що керує за допомогою клапана (засувки) потоком
теплоносія (гарячої води). Індикатор тепла - прилад, що враховує теплову
енергію, що виділяється батереєю. Він установлюється на кожен радіатор.
Облік тепла можливий тільки в тих квартирах, де є горизонтальне
розведення системи опалення. Така система опалення існує в сучасних елітних
будинках.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 14
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Квартирними вважаються лічильники з діаметром умовного проходу 15 мм
і 20 мм. Від 25 мм і вище — промислові. Останні враховують витрати тепла в
житлових будинках, на підприємствах, у школах, лікарнях і інших великих
будинках. Можуть бути лічильники з діаметром умовного проходу 600 мм, вони
вимірюють витрату тепла цілих міських районів. Самі затребувані — прилади з
діаметром умовного проходу 15-80 мм.
З метою забезпечення економного споживання теплової енергії в побуті 27
листопада 1995 року була прийнята постанова Кабінету міністрів України №947
“Про програму поетапного оснащення наявного житлового фонду засобами
обліку і регулювання споживання води і теплової енергії на 1996-2002 роки”.
Відповідно до постанови, передбачалося поступове оснащення приладами обліку
абонентські вводи (канали надходження в будинок тепло-, водо-, енергоресурсів)
багатоповерхових будинків.
У документі приведено багато цікавих цифр. От деякі з них:
- в Україні нараховується близько 600 тис. будинків державної і
колективної власності, з них п'ятиповерхових і вище — 70 тис.
- центральне опалення мають 87,7% житлового фонду;
- на опалення житлового фонду щорічно витрачається 70-75 млн т
умовного палива, чи 1,3-1,4 т на одного жителя України. Це в 1,5-2,2 рази більше,
ніж у США, Данії й інших високорозвинених країнах світу.
Якби програма була втілена в життя, то щорічна економія ресурсів могла б
скласти: води — 570 млн куб.м, тепла — 16,3 млн Гкал, електроенергії — 700 млн
кВт-год, природного газу — 1,2 млрд куб.м.
Але всі ці плани і сьогодні ще занадто далекі від утілення. Програма,
написана в дусі “наздоженемо-переженемо”, практично не виконана.
1.3 Документи і правила
Посібником для виробників теплолічильників є ДСТУ 3339-96
“Теплолічильники. Загальні технічні вимоги”. Даний документ, за словами
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 15
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
фахівців-метрологів, вимагає коректування. Крім цих документів, виробники
небайдуже відносяться до наступних посібників:
- “Правила надання населенню послуг по водо-, теплопостачанню і
водовідводу” (постанова №1497 Кабміну України від 30.12.97р.);
- “Тимчасові правила обліку відпустки і споживання теплової енергії”
(наказ Держжитлкомунхозу і Міненерго України від 01.07.97р. №57/112/.
Погоджено з Держстандартом і Держбудом);
- “Правила користування тепловою енергією” (затверджені спільним
наказом Міненерго і Держбуду від 28.11.99 р. №307/262) і т.д. Розроблена і чекає
реєстрації Інструкція про взаєморозрахунки між споживачами, виконавцями
послуг і постачальниками тепла.
Щоб установити прилад обліку організації чи приватній особі необхідно
подати заяву постачальнику тепла й одержати у нього ж технічні умови установки
лічильника тепла. Потім потрібно замовити проект цієї ж самої установки. Проект
повинний бути погоджений з організацією — постачальником тепла. Після
монтажу приладу потрібно запросити комісію, що після перевірки підпише акт
приймання приладу. За словами деяких фахівців, проект на установку квартирних
лічильників не завжди обов'язковий.
1.4 Проблеми пов'язані з установкою лічильників тепла
Темпи виконання прийнятої ще в 1995 році державної Програми по
поетапному оснащенню житлового фонду лічильниками тепла і води і донині
залишають бажати кращого.
Майже половину існуючих проблем в енергетиці країни можна вирішити
за допомогою системи обліку і регулювання. Адже в будинках і на виробництві
колосальні втрати енергії відбуваються через елементарну відсутність утеплення
вікон та дверей.
У Німеччині обліком води і тепла займаються більше ста років. Там на
ринку виробників 82 великі підприємства. Причому жодне з них ще не
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 16
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
збанкрутувало... Відомий випадок, коли завдяки обліку, заощадили стільки
енергії, що відпала необхідність у будівлі двох атомних електростанцій.
Встановлення лічильника дозволяє знизити оплату за тепло на 30-40%.
Витрачені гроші на придбання приладу умовно повертаються за один
опалювальний сезон.
Лічильник сам по собі не заощаджує, а тільки спонукує людей до більш
ощадливого споживання.
1.5 Огляд існуючих приладів
1.5.1 Елементи, що визначають метрологічні характеристики
теплолічильника на трубопроводах великих діаметрів
Як правило, до складу теплолічильника входять наступні основні
елементи: датчики температури, датчики тиску, теплообчислювач, датчики
витрати.
Метрологічні характеристики датчиків температури, якими
комплектуються теплолічильники, упевнено забезпечують задані метрологічні
характеристики теплолічильника в цілому. Експлуатаційні характеристики
датчиків температури із складу теплолічильників знаходяться приблизно на
одному рівні.
Сучасні датчики тиску з уніфікованим струмовим вихідним сигналом, як
правило, також забезпечують необхідні метрологічні характеристики комплексу
теплолічильника. Досвід застосування датчиків тиску різних типів показав, що
причиною виходу з ладу датчиків ДМ5007 в основному було порушення
функціонування тензомосту. Експлуатація датчиків “МИДА”, “МЕТРАН” і “КРТ”
показала їхню достатню надійність.
Звичайно робота теплообчислювачів організується за єдиним алгоритмом,
і вплив типу теплообчислювача на точність теплолічильника незначний.
Порівняльні експлуатаційні характеристики теплообчислювачів будуть приведені
нижче.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 17
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Основним компонентом будь-якого теплолічильника, що найбільшою
мірою впливає на його метрологічні й експлуатаційні характеристики, є датчик
витрати. У нашому випадку вибір конкретного типу теплолічильника в першу
чергу визначається вибором саме його витратометричного компонента. Тому
основний аналіз функціонування вузла обліку тепла розумно насамперед звести
до аналізу характеристик датчиків витрати.
У той час як для виміру витрати пари на трубопроводах великих діаметрів
розумної альтернативи витратомірам, що використовують принцип виміру
перепаду тиску на звужуючому пристрої, поки не запропоновано, вибір датчиків
витрати рідин досить великий. Гарні можливості для рішення вищезгаданої задачі
мають витратоміри, що реалізують електромагнітні й ультразвукові методи
вимірів витрати рідин.
1.5.2 Методи вимірів, покладені в основу роботи витратомірів, їхні
переваги та недоліки
Основні переваги і недоліки витратомірів кожного типу приведені в
таблиці 1.1 і таблиці 1.2.
Таблиця 1.1 – Достоїнства і недоліки електромагнітних витратомірів
Недоліки Переваги
- Висока ціна, складність конструкції. - Відсутність рухливих частин.
- Високе енергоспоживання і - Широкий динамічний діапазон і
неможливість автономного живлення. висока точність виміру витрати.
- Неможливість виміру витрати - Низькі вимоги до прямих ділянок
непровідних середовищ і конденсату. без гідравлічних опорів і профілю
потоку.
- Незалежність показань від змін
в'язкості, температури і тиску робочого
середовища.
- Зняття/установка деяких з них для
перевірки без зупинки теплоносія.
Таблиця 1.2 - Достоїнства і недоліки ультразвукових витратомірів
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 18
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Недоліки Переваги
- Необхідність компенсації показів - Відсутність рухливих частин.
при зміні в'язкості, температури і тиску - Широкий динамічний діапазон і
робочого середовища. висока точність виміру витрати.
- Складність монтажу. - Можливість виміру
- Високі вимоги до прямих ділянок демінералізованої води і конденсату.
без гідравлічних опорів і профілю - Відносно невисока ціна.
потоку.
- Можливість використання деяких з
- Можливість порушення працездат-
них з накладними первинними
ності при відкладеннях опадів на пасив-
датчиками витрати.
них відбивачах (внутрішньої поверхні
трубопроводу) і необхідністю, унаслі-
док цього, спеціальної обробки
внутрішньої поверхні трубопроводу в
місці монтажу датчиків.
З відомих електромагнітних витратомірів для труб великого діаметра
нижче будуть розглянуті РОСТ-8 і ЭРИС-ВЛТ.
Принцип їхньої роботи заснований на законі електромагнітної індукції.
При взаємодії електромагнітного поля, створюваного струмом котушки
збудження, з рідиною, що рухається, в останній наводиться е.р.с.
електромагнітної індукції, амплітуда якої пропорційна швидкості руху рідини, а
отже витраті. Крім цього, конструкцією витратоміра ЭРИС-ВЛТ передбачене
лубрикаторний пристрій, що дозволяє робити монтаж/демонтаж датчика без
зупинки руху теплоносія по трубопроводу.
З ультразвукових витратомірів будуть розглянуті УЗРВ, УРСВ-010М, ДРК-
С, UFM-001, UFM-005, Дніпро-7.
Виділяються наступні методи ультразвукових виміювань:
- часові і частотні методи;
- кореляційні методи;
- доплеровскі методи.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 19
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Часовий метод виміру заснований на посилці в акустичний канал
витратоміра, розташований під кутом до осі потоку, ультразвукових сигналів за
потоком і проти нього. Швидкість руху рідини визначається по різниці
проходження сигналів.
Метод частотного виміру полягає в тому, що у акустичному каналі
первинного перетворювача витратоміра, розташованого під кутом до напрямку
потоку, створюються дві неперервні послідовності ультразвукових сигналів,
інтервал між якими відповідає часу поширення ультразвуку вздовж і проти
напрямку потоку. З аналізу цих сигналів визначається різниця в частотах, що
пропорційна швидкості потоку. Переваги цих методів полягають у можливості
забезпечення швидкодії вимірів (реакція на зміни витрати) і високій точності
вимірів при зміні витрати. Однак недоліки полягають у високій чутливості
вимірів до фізико-хімічних властивостей рідини (температури, тиску,
концентрації домішок тощо), розподілу швидкостей в потоці рідини і точності
монтажу первинних перетворювачів на трубопроводі. Кращими з приладів, які
використовують ці методи, є УРСВ-010М, UFM-001, UFM-005. Вони мають
компенсаційні схеми, які частково пригнічують вплив зазначених факторів.
Кореляційні методи вимірювань базуються на принципі визначення часу
переміщення неоднорідностей потоку між двома вимірювальними перетинами
трубопроводу. Ультразвукові сигнали модулюють неоднорідності потоку, що
проходять через різні вимірювальні перетини. Завдяки невеликій відстані, що
подолає потік рідини між цими перетинами, сигнали модулюються приблизно
однаково. Час між появою сигналів з приблизно однаковою модуляцією в різних
вимірювальних перетинах відповідає швидкості рідини. Переваги цього методу
полягають в низькій чутливості вимірів до фізико-хімічних властивостей рідини,
стану трубопроводу, розподілу швидкостей по площині потоку і точності
монтажу первинних перетворювачів на трубопроводі. Проте недоліком є значний
час реакції приладу на зміну витрати рідини. До кращих приладів цього типу
можна віднести ДРК-С.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 20
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Методи вимірювання на основі ефекту Доплера базуються на
Доплерівському явищі. Вони реалізовані в приладі типу "Дніпро-7". Цей метод
практично нечутливий до фізико-хімічних властивостей води і малочутливий до
ступеня її "завоздушення", однак метрологічні характеристики сильно залежать
від стану внутрішньої поверхні трубопроводу, через те що він вимагає накладних
акустичних перетворювачів..
1.6 Патентний пошук
За міжнародним класифікатором винаходів (МКИ) даний теплолічильник
має код – G01K17/00.
Розшифровка G01K17/00:
G – Фізика;
G01 – Вимірювання, випробування;
G01K – Вимірювання температури; вимірювання кількості тепла;
термочутливі елементи, не віднесені до інших класів;
G01K17/00 – вимірювання кількості тепла.
За універсальним десятковим каталогом даний теплолічильник
відноситься до групи приладів з УДК 536.627.
Розшифровка УДК 536.627:
5 – Математика та природничі науки;
53 – Фізика;
536 – Теплота, термодинаміка;
536.6 – Вимірювання кількості тепла. Калориметрія.
536.62 – Калориметричні методи та прилади;
536.627 – Калориметри з електропідігрівом зразка дослідної речовини.
По даній групі приладів був проведений патентний пошук приладів:
Прототип:
1. Тепловимірювач: дата публікації опису – 21.07.78, МКИ G01K17/00,
УДК 536.627.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 21
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Винахід відноситься до засобів автоматичного контролю технологічних
параметрів і може бути використаний, наприклад, на теплових електростанціях, в
тепломережах та ін.
Тепловимірювач складається з датчика витрат, диференціально ввімкнені
термодатчики, встановлені у прямому та зворотньому трубопроводах теплоносія,
реєстратор миттєвої витрати тепла в який для підвищення точності введений
трансформатор постійного струму, входи якого з’єднані відповідно з одним із
входів датчика витрат, входами термометра опору, встановленого в прямому
трубопроводі, і одним із входів реєстратора миттєвої витрати тепла, а виходи –
відповідно з іншим датчика витрат, виходами термометрів опору і входом
термометра опору, встановленого у зворотному трубопроводі та іншим входом
реєстратора миттєвої витрати тепла.
На рис. 1 зображена блок – схема тепловимірювача, на якому 1, 2 –
відповідно прямий та зворотній трубопроводи, 3 – індукційний витратомір з
уніфікованим сигналом постійного струму, 4 – трансформатор постійного струму,
5 і 6 – термометри опору, 7 – реєстратор миттєвої витрати тепла.
1 5
G
t 1
3
4 7
G
t 2
2 6
Рисунок 1.5 – Блок – схема тепловимірювача
Аналоги:
1. Пристрій для вимірювання кількості тепла: дата публікації опису –
09.12.1981, МКИ G01K17/00, УДК 536.53.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 22
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Винахід відноситься до галузі теплометрії і призначено для вимірювання
кількості тепла (чи холоду), що виробляється тепловими (чи холодильними)
машинами.
Пристрій для вимірювання кількості тепла, що складається з датчика
витрати теплоносія, підключеного до входу вторинного приладу, який
складається із суматора, виконавчого блоку і датчика зворотного зв’язку,
підключеного входом до виходу виконавчого блоку, а виходом – до входу
суматора, до виходу якого підключений вхід вторинного приладу, мостову схему,
забезпечена двома датчиками температури. У пристрій, для підвищення точності
вимірювання, включено резистор і оптронна пара, що включена у вимірювальну
діагональ мостової схеми, а резистор з’єднаний послідовно з фоторезистором і
спільна точка їх з’єднання підключена до входу виконавчого блоку, при цьому
вихід суматора підключений до фоторезистора.
2. Тепловимірювач: дата публікації опису –28.02.1982, МКИ G01K17/00,
УДК 536.629.7.
Винахід відноситься до приладобудування, а саме до пристроїв для
вимірювання кількості теплоти, що виробляється чи споживається
теплоенергетичними установками при рівній витраті рідкого теплоносія у
прямому і зворотному трубопроводах.
Тепловимірювач, що містить витратомір, датчик різниці температур,
підключений через широтно – імпульсний модулятор до одного із входів
інтегратора, вихід якого через нуль-орган з’єднаний з блоком опорної напруги. З
метою підвищення точності приладу, в прилад введений операційний підсилювач
і генератор імпульсної напруги, що складається із послідовно з’єднаних
генератора, лічильника імпульсів і схеми співпадань, підключений до
неінвертуючого входу операційного підсилювача, вихід якого з’єднаний з
діагоналлю живлення, що виконана у вигляді мостової схеми, датчика різниці
температур, до вимірювальної діагоналі якого підключений інвертуючий вхід
операційного підсилювача, а вихід витратоміра з’єднаний з іншим входом
інтегратора.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 23
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
3. Тепловимірювач: дата публікації опису – 19.05.1976, МКИ G01K17/00,
УДК 536.5.
Винахід відноситься до теплових приладів і може знайти застосування в
калориметрії для вимірювання теплових потоків і в різноманітних теплових
вимірювальних приладах.
Тепловимірювач містить прийомну фокусуючи пластину, датчик для
вимірювання різниці температур, а також теплостабілізуючий елемент. З метою
зменшення робочого коефіцієнта, часу релаксації, підвищення точності
вимірювань, датчик для вимірювання різниці температур виконаний у вигляді
пластини із термоелектрично анізотропного монокристала з електричними
виводами на бічних гранях, робочі граніякої знаходяться у тепловому контакті з
фокусуючою пластиною і теплостабілізуючим елементом.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 24
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
2 Обгрунтування технічного завдання
Актуальність реконструкції приладів обліку
В даний час у більшості випадків на джерелі теплоти на трубопроводах
великого діаметра (300 - 1600 мм) ведеться облік теплової енергії, що
відпускається, по приладах, у яких функції витратоміра виконують прилади із
звужуючими пристроями (датчики перепаду тиску на діафрагмі). Ці витратоміри
володіють рядом принципово неусунуваних недоліків, серед яких основні:
1. необхідність трудомісткого демонтажу для проведення періодичної
перевірки;
2. вузький динамічний діапазон;
3. вимоги до наявності прямих ділянок великої довжини.
При цьому деякі з вузлів обліку не відповідають правилам обліку теплової
енергії.
Ці обставини обумовлюють необхідність заміни теплолічильників такого
типу на сучасні, позбавлені зазначених недоліків і що мають широкі можливості
для розвитку системи диспетчеризації обліку.
Вимоги до приладів обліку теплової енергії мають на меті забезпечити
точне вимірювання теплової енергії, яка використовується для гарячої води та
пари. Згідно з цими вимогами, теплолічильники повинні мати відносну похибку
на рівні не більше:
1. 5%, коли різниця температур між подаючим і зворотним
трубопроводами становить від 10 до 200 градусів за Цельсієм;
2. 4%, якщо різниця температур перевищує 200 градусів за Цельсієм.
Щодо вимірювання теплової енергії пари, відносна похибка не повинна
перевищувати:
1. 5% у діапазоні витрати пари від 10% до 30%;
2. 4% у діапазоні витрати пари від 30% до 100%.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 25
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Для приладу обліку, що реєструє температуру теплоносія, абсолютна
похибка dt виміру температури не повинна перевищувати значень, обумовлених
формулою:
dt = 0,6 + 0,004 х t (2.1)
де,
t - температура теплоносія.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 26
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми системи
3.1 Розробка структурної схеми
Структурна схема системи автоматизованого вимірювання витрат
теплоносія при опаленні приміщень приведена на кресленні
Система складається з термометра опору 1, встановленого в подаючому
трубопроводі, ТС 2, встановленого в зворотному трубопроводі, витратоміра 3,
встановленого в зворотному трубопроводі, і теплообчислювача 4.
Теплообчислювач складається з комутатора 5, АЦП 6, задатчика тиску 7 у
подаючому трубопроводі, задатчика тиску 8 у зворотному трубопроводі, ПЗП 9,
ПЗП 10, ПЗП 11, суматора 12, перемножувача 13, накопичуючого суматора 14,
цифрового відлікового пристрою кількості теплоти 15, ЦАП 16, ЦАП 17,
дешифратора 18, 19, цифрового відлікового пристрою температури теплоносія у
подаючому і зворотному трубопроводах 20, лічильника 21, цифрового
відлікового пристрою обсягу теплоносія 22, пристрою керування 23, лічильника
часу наробітку 24.
У ПЗП 9 записані у двійковому коді значення щільності теплоносія в
залежності від температури.
У ПЗП 10 записані у вигляді додатного числа у двійковому коді значення
питомої ентальпії теплоносія в залежності від температури і тиску.
У ПЗП 11 записані у вигляді від’ємного числа в додатковому двійковому
коді значення питомої ентальпії теплоносія в залежності від температури і тиску.
Теплолічильник працює в такий спосіб. Струмовий сигнал 0 - 5 мА
надходить з перетворювача витрат 3 на ПК 23, де перетвориться в імпульси,
частота проходження яких пропорційна витраті теплоносія. Кожен імпульс, що
відповідає проходженню через витратомір визначеного обсягу теплоносія, є
стартовим імпульсом для циклу перетворення. При цьому ПК 23 видає сигнали,
що викликають спрацьовування відповідного елемента схеми. Сигнал із
термометра опору 1 надходить через комутатор 5 на АЦП 6 і перетворюється в
11-розрядний код, що зберігається в регістрі RG1. Сигнал із термометра опору 2
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 27
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
надходить через комутатор 5 на АЦП 6 і перетвориться в 11-розрядний код, що
зберігається в регістрі RG2. Ці коди використовуються як адреси для ПЗП 9,
ПЗП 10, ПЗП 11. Адресні шини ПЗП 10 і ПЗП 11 мають 13 розрядів. На два
старших розряди адреси ПЗП 10 надходить код із задатчика тиску 7. На два
старших розряди адреси ПЗП 11 надходить код із задатчика тиску 3. По сигналу
ПК 23 на шини даних ПЗП 10 і ПЗП 11 видаються коди питомих ентальпій у
подаючому і зворотному трубопроводах відповідно. Ці дані надходять на входи
суматора 12, на виході якого одержуємо двійковий код різниці питомих
ентальпій теплоносія в прямому і зворотному трубопроводах. Цей код надходить
на перший вхід перемножувача 13, на другий вхід якого надходить код щільності
теплоносія із шини даних ПЗУ 9. Після виконання операції множення в
перемножувачі 13 результат надходить у нагромаджуючий суматор 14.
У результаті на виході нагромаджуючого суматора 14 одержуємо код
обмірюваної кількості теплоти:
N
Q = ∑Gімп і ⋅ ρ i (h1i − h2i ) (3.1)
i=1
де Gімп і - обсяг теплоносія, що відповідає одному стартовому імпульсу, м3;
ρі - щільність теплоносія, кг/м3;
h1і, h2і - энтальпия теплоносії в що подає і зворотному трубопроводах
відповідно, кДж/кг.
У нагромаджуючому суматорі 14 відбувається підсумовування
наростаючим підсумком обмірюваної кількості теплоти. При заповненні
нагромаджуючого суматора 14 сигнал переносу надходить на цифровий
відліковий пристрій кількості теплоти 15, у якості якого використовується
електромеханічний лічильник. Після виконання виміру кількості теплоти, по
сигналу пристрою керування 23, коди з регістрів RG1 і RG2 надходять в АЦП 16
і 17, де перетворяться в токовий сигнал 0-5 мА, а також через дешифратори 18 і
19 надходять на цифровий відліковий пристрій 20 для індикації температури в
прямому і зворотному трубопроводах.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 28
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Частотно-імпульсний сигнал, пропорційний витраті теплоносія, надходить
з УУ 23 на лічильник 21, де імпульси додаються наростаючим підсумком. При
заповненні лічильника 21 сигнал переносу надходить на ЦОУ 22 обсягу
теплоносія, у якості якого використовується електромеханічний лічильник.
3.2 Розробка принципової електричної схеми
Перетворювач
Схема електрична принципова і перелік елементів перетворювача
приведені на кресленні СКМ710.019.405.001.201 Э3.
До складу перетворювача входять:
Пристрій керування (ПК), що формує сигнали синхронізації роботи
функціональних вузлів теплообчислювача, АЦП, формувача сигналів задатчика
тиску (ЗТ), перетворювача струм-частота (ПСЧ).
ПК складається зі стартового тригера (DD 3.1), формувача тактів роботи
теплообчислювача (DD 4, DD 14, DD 19, DD 20, DD 25), задаючого генератора.
Частота імпульсів (fз.м.) стабілізована кварцовим резонатором (використаний
генератор, що знаходиться в DD 5). Крім того, до складу ПК входить дільник
частоти (DD 12) і формувач спеціальних сигналів (DD 9, DD 10, DD 13, DD 20).
АЦП складається з комутатора аналогових сигналів (DD 1), перетворювача
напруги в тривалість, імпульсу τх на (DD 5), формувача τх (DD 7.2), формувача
пачок імпульсів (DD 15), лічильника тактів роботи АЦП (DD 11) і регістрів кодів
адреси (DD 16... DD 18).
ЗТ складається зі схеми, що забезпечує синхронне формування з напруг,
що надходять від задатчиків тисків у прямому і зворотному трубопроводах,
кодових адресних імпульсів (DD 21).
ПСЧ складається з резистора R2, що перетворює струм від перетворювача
витрати в напругу, перетворювача напруга-частота (ПНЧ) на DD 2 і дільників
частоти (DD 6, DD 8, DD 26).
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 29
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Перетворювач працює в такий спосіб: імпульси, частота проходження яких
пропорційна величині струму перетворювача витрати, надходять з виходу ПНЧ
на вхід дільника частоти, зібраного на DD 6, DD 8. При цьому імпульсом з виходу
23 DD 26 через лічильник імпульсів DD 12 і підсилювач DD 25 запускається в
схемі стабілізатора ключ лічильника об’єму теплоносія, а імпульс, що з'являється
на виводі 2 DD 6 (у режимі ПЕРЕВІРКА) чи контакті 10 (у режимі РОБОТА),
запускає стартовий тригер (DD 3.1).
При спрацьовуванні цього тригера на його виході з'являються "0" і
синхроімпульси, сформовані генератором і дільником частоти (DD 12), надходять
через схему "или-не" (DD 7.1) на вхід лічильника-дешифратора DD 4. Перший
синхроімпульс, що прийшов на DD 4, викликає поява на його виході 2 сигнали
“1” і запуск тригера DD 3.2. Вихідний сигнал тригера DD 3.2 блокує подальшу
роботу DD 4 і одночасно знімає напругу скидання з лічильника DD 11 тактів
роботи АЦП. Так задається початок циклу роботи АЦП. Цей цикл складається з
наступних тактів: синхронізація, двох тактів перетворення опору термометра
опору, встановленого у прямому трубопроводі (ТО1), у двійковий код і двох
тактів перетворення опору термометра опору, встановленого у зворотному
трубопроводі (ТО2), у двійковий код.
Синхронізація полягає в чеканні початку 1 такту роботи АЦП (DD 5), що
працює за принципом двотактного інтегрування і має власну (внутрішню) схему
керування.
З початком 1 такту роботи DD 5, комутатор підключає до її входу напругу,
що знімається з ТО1. Після завершення 1 такту комутатор підключає до входу DD
5 напругу, що знімається з Rэт (R1, R6). Імпульс, тривалість якого τ1 прямо
пропорційна опору ТО1, сформований за допомогою (DD 7.2) надходить на
лічильник тактів роботи АЦП і на формувач пачки з N1=τ1⋅Fз.м. імпульсів (DD 15).
Далі пачка імпульсів N1 надходить на лічильник (DD 16.1, DD 17).
З початку наступного 1 такту роботи DD 5, комутатор підключає до її
входу напругу, що знімається з ТО2, а після завершення 1 такту знову підключає
до входу DD 5 напругу, що знімається з Rэт. Імпульс, тривалість якого τ2 прямо
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 30
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
пропорційна опору ТО2, надходить на лічильник тактів роботи АЦП і формувач
пачки з N2=τ2⋅Fз.г імпульсів (DD 15). Далі пачка імпульсів N2 надходить на
лічильник (DD 16.2, DD 18). Задній фронт імпульсу τ2, скидаючи лічильник тактів
роботи АЦП, переповняє його і тим самим викликає зворотне скидання тригера
DD 3.2, зняття блокування з лічильника (DD 4) і подачу сигналу скидання на
лічильник (DD 11) тактів роботи АЦП. У такий спосіб по завершенню циклу
роботи АЦП у лічильниках (DD 16... DD 18), що є регістрами кодів адреси,
зберігається записана у двійковому коді (дванадцять розрядів) інформація про
температури теплоносія у прямому і зворотному трубопроводах.
Після закінчення циклу роботи АЦП починається послідовне формування
в УУ сигналів, керуючих роботою обчислювача і сервісних схем, що входять до
складу стабілізатора:
"ЧТЕН. Н1, Н2" - дозвіл видачі з ПЗУ кодів ентальпій;
"ЗАП, SM1" - запис результатів додавання в регістр першого суматора;
"ЧТЕН. R, SM1" - дозвіл видачі коду з регістра першого суматора;
"3АП. MPL" - запис даних у регістр перемножувача;
"СLК" - імпульс керування роботою перемножувача;
"ЧТЕН. MPL" - дозвіл на видачу результатів множення на вихід
перемножувача;
"ЗАП. SМ2" - запис результатів множення в регістр другого суматора;
"ЗАП. Т" - запис кодів температур у регістри ЦАП T1 і ЦАП Т2.
У формуванні цих сигналів беруть участь лічильники DD 4 і DD 14
(останній починає свою роботу з формування паузи між "ЧTЕ. MPL" і "ЗАП.
SM2"), R-S тригери (DD 20), схеми "2-ИЛИ-НІ" (DD 9, DD 10), а також
підсилювачі (DD 19, DD 25), необхідні для сполучення малопотужних ІМС серії
K56I з мікросхемами серії 556, 155 і 1802, використовуваних в обчислювачі. Крім
того, в ПК формуються допоміжні сигнали: "СИНХР" - імпульси частотою
50 кГц.
Тому що в діапазоні робочих температур теплоносія у подаючому і
зворотному трубопроводах при нормальному (справному) стані перетворювача
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 31
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
вихідний сигнал 12-го розряду повинний бути "1", до складу перетворювача
введена схема (DD 9.1, DD 9.2, DD 13), що забезпечує контроль роботи
перетворювача, ТС і ліній зв'язку за рахунок перевірки наявності сигналу "I" на
виході 12-го розряду регістра коду адреси в момент закінчення циклу роботи
АЦП.
До складу перетворювача введена схема компаратора кодів адреси (DD 22
... DD 24). Ця схема блокує формування, перерахованих вище керуючих імпульсів
при порушенні умови N1 ≥ N2. Якщо N1 < N2, рахунок кількості теплоти
припиняється і загоряється світлодіод VD3 НЕИСПР.
Канал перетворення температур теплоносія в що подає і зворотному
трубопроводах у 7-сегментний код, працює в такий спосіб.
На входи даних регістрів DD 27... DD 30 з лічильників DD 16... DD 18
подаються 8-розрядні двійкові коди, що відповідають опору ТС1 у подаючому
трубопроводі, і опору ТО2 у зворотному трубопроводі, що по приходу тактового
імпульсу "Зап.Т" записуються в регістри DD 27 ... DD 30, причому в регістри DD
27, DD 28 – 8 - розрядний код опору ТО1, у регістри DD 29, DD 30 – 8 - розрядний
код опору ТО2.
Регістри DD 27 ... DD 30 дозволяють одержати на вихідних інформаційних
шинах (Q1-Q4) крім робочих станів ще і третій стан "високого імпедансу", що
задається кнопкою "TХ – ТГ" на лицьовій панелі теплолічильника, причому у
вихідному положенні (коли кнопка "Тх - Тг" не натиснута), що дозволяє
потенціал логічної "1" поданий на входи VI регістрів DD 29, DD30, а на входи VI
регістрів DD 27, DD 28 поданий потенціал логічного "0" і останні знаходяться у
високоімпедансному стані.
З інформаційних виходів Q1 - Q4 регістрів DD 27, DD 28, DD 29, DD 30)
коди подаються на адресні входи А0 - А7 перетворювача двійкового коду в 7 –
сегментний, зібраного на мікросхемах DS 1, DS 2,що являють собою ПЗУ. З
інформаційних виходів D00...D07 мікросхем DS 1, DS 2 знімається 7-сегментний
код, що подається через погоджуючи резистори R33...R48 на 7-сегментні
індикатори НG1...НG3. З контакту 42С з'єднувача XS1 на входи 1, 2 DD 31.2
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 32
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
надходить сигнал Вих.Q з обчислювача. Цей сигнал стробується імпульсом, що
надходить на вхід 8 DD 31.2 з виходу 1 DD 3.1. Імпульси з виходу 9 DD 31.2 через
підсилювач DD 19 надходять на з'єднувач X1 і далі на ключ керування
цифрового відлікового пристрою.
Обчислювач
Схема електрична принципова обчислювача приведена на кресленні
СКМ710.019.405.001.201 Э3.
Обчислювач складається з:
• ПЗП (DS1...DS4);
• суматорів з регістрами (DD1...DD12);
• перемножувача (DD15, DD16);
• нагромаджуючого суматора з регістром (DD18...DD25);
• перетворювачів температури в струм (DA1...DA6).
Схема працює в такий спосіб. Із з’єднувача XS1 на адресні входи
мікросхем DS1,DS2 надходять старші розряди коду температури теплоносія в
подаючому трубопроводі, а на мікросхему DS3 - молодші розряди цього коду. На
адресні входи мікросхем DS4, DS5 надходить код температури теплоносія в
зворотному трубопроводі. При надходженні із з’єднувача XS1 сигналу
"ЧТЕН.Н1.Н2" на виходах мікросхем DS1, DS2 з’являється код ентальпії в
подаючому трубопроводі, а на виходах мікросхеми DS3 – виправлення до коду.
Коди додаються суматором на мікросхемах DD1...DD4, на виходах яких
з’являється код ентальпії в подаючому трубопроводі. На входи мікросхем DS4,
DS5 надходить код ентальпії в зворотному трубопроводі. Ентальпія в зворотному
трубопроводі представлена у виді від’ємного числа в додатковому коді. Коди
ентальпій надходять на суматор DD5...DD8 результат додавання записується в
регістри DD9...DD12 по сигналу "ЗАП. S M1", що надходить із з’єднувача XS1.
По сигналу "ЧТЕН. Р, SM1", що надходить із з’єднувача, на виходах регістрів
DD9...DD12 з’являється код різниці ентальпії, а на виходах даних мікросхем DS6,
DS7 з’являється код щільності. Ці коди надходять на входи А и В перемножувачів
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 33
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
DD15, DD16 відповідно. По сигналу "ЗАП. MPL" ці коди записуються до
перемножувача, на виході P/RDY мікросхеми DD16 з’являється потенціал
високого рівня і на вхід CLK мікросхем DD15, DD16 починають надходити
тактові імпульси. При цьому виходи мікросхем DD9...DD12 і DS6, DS7
переходять у високоомний стан. Після виконання операції множення на виході
P/RDY мікросхеми DD16 з’являється низький потенціал і надходження тактових
імпульсів припиняється.
У перемножувачі DD15, DD16 зберігається код виразу:
ρ(h1 − h2 )
По сигналу "ЧTЕН. MPL" результат множення з’являється на виходах
даних мікросхем DD15, DD16 і через інвертори DD13, DD14, DD17 надходить на
нагромаджуючий суматор DD18...DD21. По сигналу "ЗАП. SM2" цей результат
записується в регістри DD22...DD25.
У нагромаджуючому суматорі відбувається підсумовування наростаючим
підсумком значень ρ(h1 − h2 ) після кожного стартового імпульсу ПК. Після
заповнення суматора, що відповідає вимірюваній кількості теплоти, рівній ціні
молодшого розряду ЦВП кількості теплоти, з виходу переносу суматора DD18
через регістр DD25 на з’єднувач XS1 надходить імпульс для керування
електромеханічним лічильником кількості теплоти.
Канал перетворення температур теплоносія в подаючому і зворотному
трубопроводах в аналоговий сигнал 0 – 5 мА містить у собі мікросхеми
DA1...DА6, транзистори VT1, VT2.
На цифрові входи ЦАП DA1 подається 10-розрядний двійковий код
температури T1.
З виходу 6 DA3 знімається аналоговий сигнал, що подається на
перетворювач "напруга-струм" (мікросхема DA5, транзистор VT1), причому із
стокового ланцюга транзистора VT1 відносно шини +15 В знімається постійний
струм, що змінюється в межах 0 – 5 мА в залежності від двійкового коду
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 34
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
температури Т1 на цифрових входах ЦАП DA1. Резистор R9 призначений для
установки діапазону перетворення в межах 0 – 5 ма.
На цифрові входи ЦАП DA2 подається 10-розрядний двійковий код
температури Т2.
З виходу 6 DA4 знімається аналоговий сигнал, що подається на
перетворювач "напруга-струм" (мікросхема DA6, транзистор VТ2), аналогічний
описаному вище. Зі стокового ланцюга транзистора VT2 відносно шини +15 В
знімається постійний струм, що міняється в межах 0 – 5 мА в залежності від
двійкового коду температури Т2 на цифрових входах ЦАП DА2. Резистор R10
призначений для установки діапазону перетворення в межах 0 – 5 мА.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 35
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
4 Розрахунок елементів схеми
4.1 Розрахунок похибок
Для визначення похибки розроблюваного вимірювального приладу
необхідно провести оціночний розрахунок. Під час розрахунку похибок необхідно
врахувати температурні коефіцієнти використаних компонентів.
У таблиці 4.1. зазначено значення адитивної та мультиплікативної
складових похибки використовуваних компонентів з урахуванням
температурного коефіцієнта і без. Дані взято з технічної документації обраних
компонентів, розглянутих у розділі 3.
Таблиця 4.1 - Значення похибок використовуваних компонентів
Найменування компонента
Вид похибки АЦП (AD7797) Резистор (R) ДОН (ADR4540)
Адитивна похибка
10 мкВ 0 Повна похибка
(Похибка повного масштабу)
0,02
Мультиплікативна
0 0,05 % %
похибка (Gain error)
Адитивна похибка з
урахуванням температурного
- - 2 ppm/°C
коефіцієнта
Мультиплікативна похибка з
урахуванням температурного
3 ppm/°C 55 ppm/°C -
коефіцієнта
Дані, зазначені в таблиці 4.1, використовуються для розрахунку похибок.
АЦП (AD7797) має розрядність 24 біти, але в розрахунках, щоб не
враховувати шуми, буде використане значення ефективної кількості біт, яке
становить 16,5 біт. Максимальна сила струму для заряду конденсатора
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 36
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
становить 90 мА, напруга ІОН (ADR4540) становить 3,3 В.
Для компенсації похибки застосовується калібрування. На АЦП
проводиться калібрування нуля за допомогою комутаційної схеми. Спочатку на
вхід АЦП подається сигнал, що дорівнює 0. Після чого АЦП здійснює
вимірювання значення нуля. У пам'яті МК запам'ятовується виміряне значення
(це значення і є похибка встановлення нуля). Після проведених дій, коли на АЦП
подається напруга на обкладках конденсатора, з одержуваних результатів
віднімається значення, що відповідає нулю. Тим самим під час калібрування нуля
адитивна похибка компенсується. Калібрування можна проводити перед кожним
вимірюванням.
Програми розрахунку похибки представлені в додатку.
Спочатку необхідно провести розрахунок похибки каналу вимірювання на
початку і в кінці діапазону вимірювання напруги (адитивна похибка) без
урахування температурних коефіцієнтів. Отримуємо значення:
(4.1)
де ������������1 - значення напруги на початку діапазону, ����МК1 - коди МК, �������������������� -
мультиплікативна похибка ІОН, ���� ���� ���� ���� - значення напруги ІОН,
�������������������� - адитивна похибка ІОН, ���� - ефективне число біт АЦП,
����АЦП - мультиплікативна похибка АЦП.
(4.2)
де ������������2 - значення напруги в кінці діапазону, ���� М К 2 - коди МК.
Отримані значення визначають абсолютні похибки каналу вимірювання
напруги. Тепер можливо оцінити наведену похибку каналу вимірювання на
початку і в кінці діапазону вимірювання без урахування температурної похибки:
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 37
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
(4.3)
де ��������1 - приведена похибка каналу вимірювання напруги на початку
діапазону.
(4.4)
де ��������2 - приведена похибка каналу вимірювання напруги в кінці діапазону.
Для порівняння з вимогами ТЗ слід розглянути максимальну наведену
похибку каналу, що досягається в кінці діапазону вимірювання. Це значення за
розрахунком не перевищує 0,0213% < 0,025%.
Сила струму I визначається тим самим каналом напруги U (вимірюється за
одним і тим самим каналом), але під час вимірювання враховується похибка
опору резистора зворотного зв'язку. Величина �������� [49] становить (у відносних
одиницях)
�������� = 0,05 % × 100 % = 0,0005, (4.5)
де �������� - допуск резистора за опором.
Виконано:
���� = ����/���� => ∆���� = ���� × (��������2 + ��������), (4.6)
�������� = ��������2 + �������� = 0,022 %, (4.7)
де �������� - відносна похибка каналу вимірювання сили струму.
Похибка каналу вимірювання сили струму становить 0,022 %, тобто з
такою точністю визначатиме струм. Тепер необхідно провести розрахунок
похибки вимірювання часу заряду конденсатора. Вимірювання часу виконують на
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 38
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
МК із використанням його таймера-лічильника і кварцового резонатора
(запускають таймер, проводять лічбу, наприкінці таймер зупиняють, і зчитують
виміряний час). Представимо у вигляді формули
∆���� =1/ ���� × ����заряду + ����кварца × ����заряду, (4.8)
де ∆���� - абсолютна похибка тривалості часу, 1 - одиниця рахунку,
���� - число тактів на секунду, нараховане таймером-лічильником на час
його роботи, ����заряда - час заряду до заданої напруги (до ����������������), ����кварца -
мультиплікативна похибка кварцового резонатора.
Необхідно провести оціночний розрахунок часу, який потрібен для заряду
конденсатора. Під час розрахунку враховуватиметься мінімальний час
вимірювання ємності, тобто 1 мкФ, і сила струму, що дорівнює 90 мА. Оскільки
при використанні мінімального часу заряду буде виходити максимальна похибка
під час вимірювання найменшої ємності з діапазону вимірювань, виконаний
розрахунок буде відповідати найгіршому можливому випадку.
Представимо у вигляді формули
(4.9)
Відповідно час заряду конденсатора становитиме:
(4.10)
Після чого необхідно провести розрахунок кількості тактів тактової
частоти, відповідних цьому часу. У обраного кварцового резонатора HC-49U [47]
частота становить 25 МГц, відносна похибка встановлення частоти дорівнює 30
ppm.
���� = ����кварца × ����заряду = 917 (4.11)
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 39
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
де ����кварца - частота кварцового резонатора.
Розрахуємо відносну похибку вимірювання тривалості часу
(4.12)
де �������� - відносна похибка тривалості часу, ����кварца - відносна похибка
частоти кварцового резонатора.
Максимальна відносна похибка тривалості часу становить 0,1121%. Після
всіх необхідних розрахунків можна розрахувати повну оціночну похибку
результату вимірювання ємності.
У розрахунку на найгірший випадок вона не перевищить (час і ємність
використовуються мінімальні)
����С = �������� + �������� + ��������2 = 0,155 %, (4.13)
де ����С - сума всіх відносних похибок.
Оскільки I і U вимірюються одним і тим самим каналом, то носій похибки
має повністю систематичний характер, вона компенсувалася б автоматично під
час обчислення ємності.
Зробимо також розрахунок оцінки похибки за реалістичною оцінкою,
оскільки вимірювання напруги, сили струму і часу здійснюються незалежно один
від одного:
(4.14)
де ����С реал - реалістична оцінка похибки у вимірювальному каналі.
Реалістична оцінка похибки не перевищує 0,116 % і виявилася не гіршою
за похибки у розглянутих аналогів вимірювальних пристроїв у розділі 2 і
задовольняє умовам технічного завдання.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 40
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Тепер зробимо розрахунки оціночної похибки з урахуванням
температурних коефіцієнтів. Порахуємо добавку в значенні похибки при
збільшенні температури на 10˚С. Розрахунки наведено в додатку А.
Нижче наведено отримані значення похибок:
��������2 = 0,0189 %, ���� ���� = 0,02 %, �������� = 0,112 %, (4.15)
����С = 0,151 %, ����С реал = 0,115 %. (4.16)
Для того, щоб розрахувати, наскільки змінюється похибка в разі
збільшення температури на 10˚С, необхідно знайти різницю між обчисленими
відносними похибками за реалістичною оцінкою з урахуванням температурного
коефіцієнта і без.
Отримаємо таке значення:
0,115% - 0,116% = -0,001 %.
У разі збільшення температури на 10˚С відносна похибка вимірювального
каналу за реалістичною оцінкою змінюватиметься на 0,001%.
Таким чином, отримані значення відносної похибки вимірювальних
каналів задовольняють умовам технічного завдання.
4.2 Розрахунок схеми індикації температури
Схема індикації складається із семисегментних індикаторів НG1, НG2 і
НG3, узгоджуючих резисторів R 33 – R 48, перетворювач двійкового коду в
семисегментний, що зібраний на мікросхемах DS1 та DS2. З інформаційних
виходів яких знімається семисегментний код.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 41
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
D S 1 HG1
R 3 3 . . . R 4 0 H 2
8 9 1
7 A0 P R O M D 0 0 1 0 1 3 A C T
6 A 1 D 0 1
A 2 D 0 2 1 1 10 B C
5
4 A 3 D 0 3 1 3 8 D
3 A4 D 0 4 1 4 7
A 5 D 0 5 1 5
2 E
2 16 11 F
1 A 6 D 0 6 G
23 A7 D 0 7 1 7 3 , 9 , 1 4 0
A8
19
1 8 CS 1 HG2
2 0 CS 2
H 3
2 1 CS 3
1
13 A C T
CS 4
1 0 B
8 C
D S 2 D
R 4 1 . . . R 4 8 7
8 A 0 P R O M D 0 0 9 E
7 1
2
A 1 D 0 1 0 11 F
6 A 2 D 0 2 1 1 3 , 9 , 1 4 G
5 0
4 A 3 D 0 3 1 3
A 4 D 0 4 1 4 3
2 A 5 D 0 5 1 5
1 A 6 D 0 6 11
6 HG3
7 H 4
23 A7 D 0 7 1
A 8 1 3 A C T
1 9 10 B C
1 8 C S 1 8
D
2 0 CS 2 7
CS 3 E
2 1 2
CS 4 1 1 F
3 , 9 , 1 4 G 0
+U
Рисунок 4.1 – Перетворювач двійкового коду
Індикатори НG1, НG2 та НG3 – однорозрядні семисегмнтні із спільним
анодом, оскільки мікросхеми DS1 та DS2 на виходах мають низький рівень – цим
вимогам відповідають індикатори АЛС324Б1, що мають параметри Imax=20мА,
Тому узгоджуючі резистори розраховуємо:
R U
= пит −UVD
I (4.17)
R 5− 2
= = 300 мА
0.01
Із ряду вибираємо резистори номіналом 470 Ом.
Потужність:
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 42
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
P = I 2 ⋅R (4.18)
P = 0.012 ⋅470 = 0.047 Вт
Отже R33 – R48: С2-23-0,25-470 ±5%
4.3 Розрахунок схеми індикації несправності
Для комутації світлодіода АЛ307БМ, розрахованого на Imax=22мА,
використовуємо транзистор КТ315Б, у якого Ik max=100мА і Uкэ max=0,4 В.
Розраховуємо узгоджуючий резистор:
R U
= пит −UVT −UVD
I (4.19)
R 5− 0.4 − 2
= =118 Ом
0.022
Із ряду вибираємо номінал 120 Ом.
Потужність:
P = I 2 ⋅R = 0.0222 ⋅120 = 0.058 Вт
Отже R32: С2-23-0,25-120 ±5%
VT 1 R3 2
Н1
+5 В
Рисунок 4.2 – Схема індикації
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 43
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
5 Технологічний розділ
5.1 Класифікація методів конструювання друкованої плати
При конструюванні приладів на друкованих платах (ДП)
використовуються наступні методи:
Моносхемний використається для нескладних апаратур. У цьому випадку
вся електрична схема розташовується на одній ДП. Моносхемний метод має
обмежене застосування, тому що дуже складні ДП незручні при налагодженні й
ремонті даних приладів.
Схемно-вузловий метод застосовують при використанні масової й серійної
апаратури. При цьому методі частина електричної схеми, що має чіткі вхідні й
вихідні ланцюги розташовується на окремій ДП. Ремонтна здатність таких
виробів більша. Недолік− складність системи сполучних проводів, які з'єднують
окремі ПП.
Функціонально-вузловий метод застосовують в апаратурах з
використанням мікроелектронних елементів. При цьому використають
багатошарові друковані плати (БДП), що поєднують у єдину конструкцію кілька
шарів друкованих провідників, які розділені шарами діелектрика.
Методи виготовлення одно- і двосторонніх ДП, гнучких ДП і гнучких
друкованих кабелів класифікують за принципом провідного малюнка й способу
формування зображення малюнка ДП.
Відомі наступні методи одержання провідного малюнка ДП:
1. Хімічного травлення (хімічний), що полягає у вибірковому травленні
ділянок провідної фольги або іншого провідного матеріалу нанесеного на
поверхню заготовки ДП;
2. Механічного видалення пробільних ділянок заготовки ДП, які мають
рельєфну поверхню із провідним малюнком в основі плати;
3. Гравірування (фрезерування) лакованої заготовки ДП;
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 44
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
4. Адитивний, що ґрунтується в осадженні на спеціальну підготовлену
поверхню основи ДП металевого провідного покриття за рахунок хімічного
відновлення металу з розчину солі;
5. Напівадитивний (електрохімічний), якщо провідний малюнок виходить
за рахунок гальванічного нарощування нижнього шару металу на діелектричній
основі, металізована хімічним методом;
6. Переносу, якщо провідний малюнок одержують на тимчасовій основі,
наприклад, з нержавіючої сталі будь-яким методом, при цьому друковані
провідники спочатку формуються електрохімічним методом, потім основу із
провідниками притискають до покритого клеєм діелектричної основи. Під тиском
і підігріві друковані провідники переносять на діелектричну основу;
7. Впалювання струмопровідних паст у термостійку основу, при цьому на
поверхні, наприклад, керамічної плати, наносять пасти або фарби, які вміщають
вуглекисле срібло, потім їх піддають термічному опаленню при температурі
більше 600 ºС. У результаті срібло відновлюється, що утворює друковані
провідники, які мають велике зчеплення з основою;
8. Вакуумної металізації або катодного розпилення, якщо провідна плівка
осаджується на діелектричній основі в умовах вакууму шляхом впливу
електричного поля;
9. Шоопірування, це розпилення в повітрі інертних часточок
розплавленого металу, які осаджуються на основу ПП;
10. Штампування, струмопровідний малюнок наноситься на діелектричну
основу механічним способом, тобто вирубка рельєфним штампом фольги з
одночасним врізанням крайок металу в основу;
11. Металізації за допомогою металевих порошків;
12. Комбіновані, що представляють об'єднання вище перерахованих
методів, наприклад, хімічного й електрохімічного методу.
Провідний малюнок ДП можна одержати й іншими методами, зокрема, за
допомогою електрохімічної й електрофізичної обробки лакованої основи, шляхом
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 45
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
вибуху металевого дроту або нанесенням металевих порошків на поверхню
вибуховою хвилею в спеціальних пристроях.
У виробництві ДП широко застосовують наступні способи формування
малюнка:
1. Фотографічний, використання різних видів активних випромінювань для
експонування світлочутливих матеріалів нанесених, на основу ПП;
2. Офсетний (друкований) - виготовлення офсетних форм і друкування за
їхньою допомогою позитивного й негативного зображення малюнка на заготовці ДП;
3. Сіткографічний (трафаретного або сітчастого друку) - використання для
друку позитивного або негативного зображення малюнка ДП сітчастого
трафарету;
4. Тиснення (пресування) - створення рельєфної поверхні основи ДП із
утопленого у неї провідного малюнка.
5. Штампування, вирубування малюнка друкованих провідників з листів
фольги спеціальним штампом;
6. Ксерографічний - проектування позитивного або негативного
зображення малюнка ДП на пластину з напівпровідниковим шаром, зарядженим
до певного потенціалу; сховане зображення при цьому електростатично
проявляється за допомогою заряджених пігментних порошків, переносяться на
основу ДП за допомогою проміжної підкладки й паяються;
7. Гравірування (фрезерування) - одержання малюнка друкованих
провідників фрезеруванням між ними канавок на поверхні фольгованих заготовок
за допомогою пристрою, що стежить за координатами;
8. Малювання - одержання позитивного або негативного зображення
малюнка ДП у ручну за допомогою кисті, плакатного пера, трафарету та інше.
5.2 Норми й вимоги до конструювання друкованих плат
Конструювання ДП складається з наступних основних етапів:
1. Вивчення технічного завдання на розробку приладу;
2. Визначення конфігурації й габаритних розмірів ДП;
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 46
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
3. Визначення раціонального взаєморозташування електрорадіоелементів
на ДП;
4. Трасування з'єднань плати;
5. Перевірка провідного малюнка ДП;
6. Розробка конструкторської документації відповідно до вимог Єдиної
системи конструкторської документації (ЄСКД) і зазначених вище нормативних
документів.
Провідний малюнок ДП, розроблений у результаті трасування з'єднань,
повинен задовольняти наступним вимогам: відповідати принциповій електричній
схемі; всім конструктивним, технологічним й електричним вимогам;
забезпечувати нормальну роботу схеми при відповідних умовах експлуатації й
зручність збірно-монтажних і регулюючих робіт.
Друковані плати по щільності провідного малюнка діляться на чотири
класи:
1. Перший характеризується найменшою щільністю провідного малюнка;
2. Другий і третій - підвищеною щільністю;
3. Четвертий - найбільшою щільністю.
При наявності елементів провідного малюнка різних класів плат необхідно
відносити до більш вищого класу. Для ОДП і ДДП, виготовлених хімічним
методом, четвертий клас щільності не застосовують. Для будь-яких плат
переважним є перший клас щільності провідного малюнка, третій клас не
рекомендується використати на платах з розмірами більше 240Х240 мм, а
четвертий клас - на платах з розмірами більше 170Х170мм.
Вимоги до основних розмірів. Застосування плат більших розмірів і
складної геометричної форми не рекомендується у зв'язку з маленькою
механічною міцністю, складності обробки й головним чином у зв’язку з
виникненням значного жолоблення, які виникають у процесі технологічного
циклу виготовлення.
Основні розміри й крок координатної сітки повинні відповідати ГОСТ
10317: крок координатної сітки 2,5; 1,25; 0,5 мм; розмір кожної сторони
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 47
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
друкованої плати повинен бути кратної 2,5 при довжині до 100 мм, 5 при довжині
до 350 мм, 10 при довжині більше 350мм. Максимальний розмір кожної зі сторін
повинен бути не більше 470 мм, а допуски на лінійні розміри сторін вибирають
згідно СТ СЕВ 144. Співвідношення лінійних розмірів кожної зі сторін не
повинне бути 3:1. Відхилення від прямокутності ДП не повинне бути більше 0,2
мм на 100 мм довжини.
Товщина ОДП визначається товщиною обраного матеріалу. Рекомендуємі
товщини плат 0,8; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 мм. Граничні відхилення від сумарної товщини
ОДП визначається допуском на товщину матеріалу плати й допуском на товщину
гальванічного покриття, а граничне відхилення на товщину ГПП визначається
допуском на товщину матеріалу.
Вимоги до розташування розмірів отворів. Центри всіх отворів на
друкованій платі, що враховують кріплення, повинні розташовуватися у вузлах
координатної сітки. Центри отворів, призначені для багатовивідних елементів
(мікросхеми, реле, і т.п. які з конструктивних особливостей не попадають у вузли
координатної сітки) розташовуються відповідно до розмірів, які зазначені в
нормативній документації на ці елементи (ГОСТ, ТУ, креслення та інше). Центр
отвору, прийнятий за основний, повинен розташовуватися у вузлі сітки, інші
отвори для цього елемента повинні по можливості розташовуватися на
вертикальних або горизонтальних лініях координатної сітки.
Розміри й конфігурацію кріпильних й інших конструктивних і
технологічних отворів необхідно вибирати за ДСТ 11287 залежно від вимог до
конструкції й технології виготовлення виробу. Центри цих отворів також по
можливості необхідно розташовувати у вузлах координатної сітки.
Шорсткість поверхонь монтажних не металізованих отворів і торців ПП
повинна відповідати ГОСТ 2789 Rz ≤ 80, а для металізованих поверхонь Rz≤40.
Металізовані отвори необхідно виготовляти без зенкирування.
Розміри контактних площадок вибирають із урахуванням механічних
навантажень і маси елементів, які встановлюються на ПП. Оскільки існують
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 48
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
обмеження по масі елементів, які встановлюються на ПП, то в більшості випадків
необхідна віброізоляція.
При збільшенні контактної площадки збільшується якість паяних з'єднань,
зменшується можливість їхнього відриву від основи плати як при виробництві,
так і при експлуатації (сила зчеплення фольги з основою 25-30 кг/див2).
Вимоги до розмірів і розташування провідників. Важливим параметром
для друкованого провідника є його ширина, що залежить від припустимої
щільності струму, припустимої температури нагрівання при максимально
припустимому току навантаження, від товщини шару фольги, роздільну здатність
технологічного оснащення.
Внаслідок того, що друковані провідники мають добрий тепловий контакт
із середовищем і діелектричною основою, вони витримують значну більшу
щільність струму в порівнянні із про’ємними провідниками. Наприклад, щільність
струму миттєвого згоряння для друкованого провідника, отриманого травленням,
становить 60 А/мм2, а для про’ємного мідного провідника - 15 А/мм2. Для
найпоширеніших у промисловості фольгованих діелектриків товщина фольги
становить 35 й 50 мкм. При розрахунку відстані між провідниками необхідно
враховувати припустиму напруженість поля, що рівняється 1кВ/мм.
Для застереження утворення залишків пропоя, рекомендується по
можливості витримувати зазор 1-1,5 мм між провідниками, а також між
провідником і контактною площадкою.
При конструюванні ДП можливо використати навісні перемички у випадку
неможливості реалізації зв'язку схеми друкованих провідників, але кількість цих
перемичок не повинне перебільшувати 5% від числа зв'язків. Дозволяється
застосування об'ємних екранованих провідників.
5.3 Аналіз елементної бази
Електрична принципова схема підсилювача побудована на наступних
інтегральних мікросхемах серій К561, КР1108, КР572, КА561, К556, К155
Корпус у всіх типів мікросхем - прямокутний пластмасовий типу 201.14-1.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 49
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Напруга живлення мікросхем ± 15 У. Максимальний струм, що протікає в
ланцюгах схеми, становить 1,5 А.
До теплонагружених елементів відносяться резистори С2-23 із
номінальною потужністю 0,25 Вт, СП3-39 з номінальною потужністю 1,0 Вт, а
також мікросхеми – не більше 500 мвт кожна при Т від –25 до +25°С.
5.4 Вихідні норми топологічного конструювання друкованої плати
Правило двох мінімумів. Топологічним конструюванням друкованих плат
(ДП) називається розробка малюнка ДП, включаючи розміщення ЕРЕ на робочій
площі ДП і трасування з'єднань між контактними площадками. Малюнок з'єднань
може бути розроблений за чотирма умовами:
- без перетинань в один шар (ОДП);
- з перетинаннями у два шари (ДДП);
- з перетинаннями у два шари, але з додатковим провідним монтажем
прямими відрізками ізольованого проведення (ДДПДМ);
- з перетинаннями в трьох, чотири й більше шари (БДП).
Процес топологічного конструювання складається з розміщення й
трасування. При розміщенні розставляють навісні елементи на платі,
розподіляють контакти з'єднань за електричною схемою й розташовують
контрольні гнізда. При трасуванні прокладають лінії з'єднань (провідники) між
контактними площадками у відповідності зі схемою електричної принципової з
обліком геометричних й електричних обмежень.
Правило двох мінімумів: при топологічному конструюванні ДП повинен
бути досягнутий мінімум перетинань і довжини зв'язків. Мінімум перетинань
означає й мінімум перехідних отворів. Це вимога в загальному випадку має
пріоритет, тому що забезпечує технологічність по мінімуму числа шарів і створює
важливі основи для безвідмовності.
Мінімум довжини зв'язків означає максимум зв'язків між сусідніми
елементами й має значення для електричних схем залежно від швидкодії й
частотного діапазону.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 50
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Норми при розміщенні й розрахунок числа посадкових місць. Топологічне
конструювання ДП починається з попереднього розміщення як самостійної
процедури. Розрахунку граничного числа корпусів ІС і МС, які встановлюються
на ДП, передує встановлення норм компактного розміщення. Ці норми виходять
із розташування ІС, МС й інших навісних елементів рядами. Виводи цих
елементів піддають формуванню. Контур площі, що займає на ДП навісний
елемент, включаючи контактні площадки під формовані виводи, називають
посадковим місцем.
1 2 3
n y
Y
lx n x
x tx x
Lx
X
Рисунок 5.1 – розміщення ІС та корпусних МС на ДП (1 – посадочне місце,
2 – межа зони розміщення, 3 – межове поле ДП)
Робоча площа ДП, або зона розміщення посадкових місць на друкованій
платі, рівняється загальної площі ДП за відрах у в
а н ням площі межового поля –
вільної смужки по краях периметра ДП, що передбачається для технологічних
цілей, не використовується під малюнок і наві с н і елементи. Ширина м е ж о в о г о
поля – це відстань від краю ДП до краю першого ряду посадкових місць. Межове
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 51
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Ly
Y 1 ty Y 2
ly
поле визначається трьома координатами: x – ширина межового поля по вісі X
(однакова з лівої й із правої сторони ПП ); y1 – ширина межового поля для
з'єднувача по вісі Y (у нижньому краї ПП); y2 – ширина межового поля для
розміщення контрольних гнізд у верхньому краї ПП. Ширину межового поля x з
лівий і правий краї беруть рівної: для стрижневих виводів x= 5 мм, для планарних
виводів x = 2,5 мм. Ширину межового поля по вісі Y при відсутності контрольних
гнізд беруть y2 = 2,5 мм, а при їхній наявності y2 = 12,5 мм. У нашому випадку як
з'єднувач використаємо СНП34С-697,35 (число контактів-31; відповідна частина
на ДП- вилка або розетка; паяний шов в отвір; y1 = 22,5 мм)
Розрахунок числа посадкових місць виконується по формулах (див.
рисунок 5.1):
n = n x ⋅ n y (5.1)
L − 2x − l
n x =
x x +1
t (5.2)
x
L − (y
n = y 1 + y 2 ) − l y
y +1
t , (5.3)
y
де n - число посадкових місць при однобічному розміщенні;
nx – число посадкових місць в одному ряді (округляється до цілого числа
убік зменшення);
nx – число посадкових місць в одному стовпчику(округляється до цілого
числа убік зменшення);
Lx, Ly – розміри ДП по осях X й Y;
tx, ty – крок установки по осях X й Y;
х - ширина межового поля по X;
y1, y2 – ширина межового поля для з'єднувачів і контрольних гнізд.
n 215−10− 25
x = +1= 73
2,5
n 115− 27,5−10
y = +1= 32
2,5
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 52
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
n = 73 ⋅32 = 2336
Вихідні дані й результати розрахунку топологічного конструювання
друкованої плати наведені у додатку.
5.5 Розрахунок параметрів електричних з'єднань друкованої плати
Розрахунок друкованого монтажу складається із трьох етапів: розрахунок
по постійному й змінному струмі й конструктивно – технологічного.
1. Вибираємо хімічний метод виготовлення і клас 3-й точності ДП,
виходячи з технологічних можливостей виробництва
2. Визначаємо мінімальну ширину друкованого провідника по постійному
струму для ланцюгів живлення й заземлення:
b
I
min =
max
j (5.4)
доп ⋅ t
де Imax − максимально постійний струм, що протікає в провідниках
(визначається з аналізу електричної схеми й елементної бази ДП);
jдоп − допустима щільність струму, вибирається залежно від методу
виготовлення;
t − товщина провідника, мм.
b 1,5
min = = 3,75
20 ⋅0,02
3. Визначення мінімальної ширини провідника, мм, виходячи із
припустимого спадання напруги на ньому:
b ρ ⋅ Imax ⋅ l
min = U ⋅ t (5.5)
доп
де ρ − питомий об'ємний опір;
l − довжина провідника, м (виходячи з розмірів ДП і загальної кількості
друкованих провідників);
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 53
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Uдоп − допустиме спадання напруги, визначається з аналізу електричної
схеми. Допустиме спадання напруги на провідниках не повинне перевищувати 5%
від напруги живлення мікросхем і не більше запасу поміхостійкості мікросхем.
b 0,05 ⋅1,5 ⋅0,15
min = = 1,25
0,45 ⋅0,02
4. Визначаємо мінімальне значення діаметрів монтажних отворів d:
d = dЕ + ∆dН.В. + r, (5.6)
де dЕ − максимальний діаметр виводу электро-радиоэлемента (ЭРЭ), що
встановлюється;
∆dН.В. − нижнє відхилення від номінального діаметра отвору;
r - різниця між мінімальним діаметром отвору й максимальним діаметром
виводу ЭРЭ (вибирається в границях 0,1..0,4 мм). Розрахункове значення d
зводять до переважного ряду отворів, мм: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,9; 1,0; 1,1; 1,3; 1,5;
1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0.
d = 1,9 + 0,01 + 0,3 ≈ 2,4
5. Розраховуємо діаметри контактних площадок.
Мінімальний діаметр контактних площадок для ОПП і внутрішніх шарів
БПП, виготовлених хімічним методом:
Dmin = D1min + 1,5 hФ, (5.7)
де hФ − товщина фольги, мм;
D1min− мінімальний ефективний діаметр площадки, мм;
D1min = 2 (b + dmax/2 + δd + δp), (5.8)
де b − відстань від краю просвердленого отвору до краю контактної
площадки, мм;
dmax − максимальний діаметр просвердленого отвору, мм;
δd й δp −допуски на розташування отворів і контактних площадок.
D1min = 2 (1,0 + 2,63/2 + 0,07) = 3,7
Dmin = 3,7 + 1,5 · 0,02 = 3,73
Максимальний діаметр контактної площадки
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 54
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Dmax = Dmin + (0,02...0,06) (5.9)
Dmax = 3,73 + (0,02...0,06) = 3,77
6. Визначаємо ширину провідників.
Мінімальна ширина провідників, мм, для ОДП і внутрішніх шарів БДП,
виготовлених хімічним методом,
bmin=b1min+1,5hф, (5.10)
де b1min−мінімальна ефективна ширина провідника, b1min=0,18 мм для плат
1-, 2-, 3-го класу точності, b1min=0,15 мм для плат 4-го класу точності.
bmin=0,18+1,5∙0,535=1,25
Максимальна ширина провідників
bmax = bmin + (0,02..0,06). (5.11)
bmax = 1,25 + 0,04 = 1,29
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 55
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
6 Спеціальний розділ
6.1 Економічне обґрунтування розробки системи
истема автоматизованого вимірювання витрат теплоносія є важливим
елементом сучасних енергетичних рішень для опалення приміщень.
Впровадження такої системи дозволяє значно підвищити ефективність
використання енергоресурсів, знизити витрати на опалення та забезпечити точний
облік і контроль споживання тепла. Це економічне обґрунтування розглядає
переваги, витрати та економічну доцільність впровадження такої системи.
Основні переваги
1. Енергоефективність:
• Автоматизовані системи вимірювання дозволяють точніше регулювати
подачу теплоносія, що зменшує перевитрату теплової енергії.
• Системи дозволяють враховувати теплові втрати і регулювати подачу
тепла відповідно до фактичних потреб, знижуючи витрати на опалення.
2. Зниження експлуатаційних витрат:
• Зменшення витрат на оплату теплової енергії завдяки точному обліку та
зменшенню непотрібного споживання.
• Зменшення витрат на обслуговування систем опалення через зменшення
навантаження на обладнання.
3. Прозорість і точність обліку:
• Можливість точного обліку спожитого тепла для кожного споживача, що
зменшує конфлікти щодо рахунків та сприяє справедливому розподілу витрат.
4. Екологічні переваги:
• Зменшення споживання енергії призводить до зниження викидів
парникових газів і меншого навантаження на довкілля.
Витрати на впровадження
1. Капітальні витрати:
• Закупівля та установка обладнання для автоматизованого вимірювання
витрат теплоносія (лічильники, датчики, програмне забезпечення).
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 56
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
• Витрати на інтеграцію системи з існуючими системами опалення та
енергоменеджменту.
2. Операційні витрати:
• Витрати на технічне обслуговування системи.
• Витрати на навчання персоналу для роботи з новою системою.
3. Адміністративні витрати:
• Витрати на адміністративне впровадження системи, включаючи
проектування, планування та координацію робіт.
Економічна доцільність
1. Окупність інвестицій:
• Завдяки зниженню витрат на теплову енергію, системи окуповуються
протягом 2-5 років в залежності від масштабу і початкових витрат.
• Точний облік споживання тепла дозволяє виявляти і усувати
неефективності, що додатково знижує витрати.
2. Державні стимули і субсидії:
• Можливість отримання державних грантів або субсидій на впровадження
енергоефективних технологій.
• Відповідність вимогам державних і міжнародних програм
енергозбереження.
3. Довгострокові переваги:
• Постійне зниження витрат на опалення впродовж всього строку
експлуатації системи.
• Підвищення ринкової вартості нерухомості завдяки впровадженню
сучасних енергозберігаючих технологій.
Висновок
Впровадження системи автоматизованого вимірювання витрат теплоносія
є економічно доцільним рішенням, яке дозволяє значно знизити витрати на
опалення приміщень, підвищити енергоефективність, забезпечити точний облік та
контроль споживання тепла. Це сприяє не тільки економічним вигодам для
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 57
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
власників та користувачів нерухомості, але й позитивно впливає на екологічний
стан завдяки зниженню енергоспоживання та викидів парникових газів.
6.2 Охорона праці
Аналіз умов праці інженера-розробника в науково-дослідній
лабораторії
В даному розділі проводиться аналіз умов праці інженера-розробника в
науково-дослідній лабораторії. Інженер проводить різноманітні дослідження та
моделювання систем автоматизованого вимірювання різноманітних параметрів.
Він працює з сучасним персональним комп’ютером (ПК), за допомогою якого
відбувається пошук інформації в мережі Internet, обробляється інформація,
проводяться моделювання та розрахунки елементів системи, оформлюється
документація.
Згідно з вимогами НПАОП 0.00-7.15-18 «Вимоги щодо безпеки та захисту
здоров’я працівників під час роботи з екранними пристроями» облаштування
робочих місць, обладнаних відеотерміналами, забезпечується з врахуванням:
- належних умов освітлення приміщення і робочого місця;
- параметрів мікроклімату;
- належні ергономічні характеристики основних елементів робочого місця,
а також враховуються небезпечні і шкідливі фактори.
Приміщення лабораторії знаходиться на третьому поверсі
дев’ятиповерхового будинку. Розміри приміщення 4х4х2,5 м, площа, відповідно
становить 16 м2, об’єм - 40 м3. В приміщенні розташовано одне робоче місце та
саме приміщення є досить просторовим для інженера. Розміри приміщення
відповідають вимогам ДБН В.2.2.28-2010, з розрахунку на одне робоче місце (при
нормативних значеннях площа становить 6,0 м2, об’єм – 20,0 м3). Інженер працює
в сидячому положенні, та робота відноситься до категорії 1а.
На робочому місці знаходиться лабораторний стенд та ПК. Також в
приміщенні є шафа з документацією, диван та електроприлади, а саме телефон,
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 58
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
принтер, кондиціонер та система опалення. Всі ПК та інші пристрої під’єднанні
до електричної мережі змінного струму напругою 220 В. Для приєднання
обладнання до електромережі в приміщенні обладнано 4 розетки на висоті 90 см
від підлоги. Сполучення кабелів, що з’єднують електричні пристрої з
електромережею проходять далі від робочого крісла інженера та розміщенні
компактно.
Монітор ПК розташований таким чином, що відстань від очей до екрану
монітора має 90 см, що значно мінімізує вплив випромінювання на зір. Екран
монітора є матовим, та світлові промені з вікна не заважають роботі інженеру.
Інженер також може вільно змінювати своє положення, так як в кріслі підйомно-
поворотне та регулюється по висоті, куту нахилу сидіння (від 150 вперед і до 50
назад) та спинки (400-500 мм). При виконанні великого обсягу роботи кращим
варіантом (для хребта) буде, якщо сидіння буде трошки нахилене вперед, можна
використовувати також стаціонарні або знімні підлокітники для зниження
статичного напруження м’язів рук.
Перед початком роботи з інженером проводиться вступний та первинний
інструктажі (ДНАОП 0.00-4.12-05), після чого відбувається перевірка знань
керівником науково-дослідної роботи. Запис про проведення вступного
інструктажу робиться у спеціальному журналі. Повторний інструктаж
проводиться на робочому місці 1 раз на півріччя.
В приміщенні лабораторії передбаченні такі види освітлення (ДБН В.2.5-
28-2018): природне, штучне і сумісне. Природне освітлення проникає в
приміщення через 2 вікна розмірами 1,5х1,45 м з жалюзі, завісками та зовнішніми
козирками. При цьому фактичне значення КПО на робочому місці становить 20-
27%, що задовольняє вимоги для ІІ розряду зорової праці. Нормативний рівень
природного освітлення становить 1,2%. В темну пору року на робочому місці
передбачене місцеве освітлення (штучне) в вигляді настільної лампи, що
розташоване ліворуч робочого місця, паралельно лінії зору користувача ПК.
Світильник має розсіювач світла та екрануючу сітку. При застосуванні штучного
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 59
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
місцевого освітлення використовують світильники зі спеціальними
антибліковими (матовими) лампочками.
Загальне освітлення в приміщенні лабораторії забезпечується 4
світильниками моделі TBS160 з світловим потоком 1350 лм на кожну лампу.
Рівень штучного освітлення на робочому місці становить 500 лк, при цьому з
додаванням місцевого освітлення (комбіноване) становить 750 лк. В приміщенні
лабораторії рівень штучного освітлення відповідає нормативним вимогам ДБН
В.2.5-28-2018.
На робочому місці користувача ПК параметри мікроклімату мають
відповідати вимогам ДСН 3.3.6.042-99 «Санітарні норми мікроклімату
виробничих приміщень».
Параметри мікроклімату приміщення приймаються в межах оптимальних
норм при категорії робіт 1а, при яких витрата енергії дорівнює 105-140 Вт (90-120
ккал/год). В холодний період року фактична температура в приміщенні становить
15-17 °С, при відносній вологості 55-60 %, з швидкістю руху повітря 0,1-0,2 %.
Порівнюючи з нормативними значеннями температура в приміщенні за низька,
що забезпечує 3 ступінь шкідливості за мікрокліматом.
В теплий період року фактична температура в приміщенні становить 23-25
°С, при відносній вологості 40-55 %, з швидкістю руху повітря 0,1-0,2 %, що
відповідає нормативним вимогам мікроклімату. В таблиці 7.1 вказані нормативні
значення параметрів мікроклімату.
Фактичні значення відносної вологості та швидкість руху повітря
відповідають нормативним вимогам згідно ДСН 3.3.6.042-99, окрім температури в
холодний період року. Саме тому система водяного опалення, що
використовується в будівлі, підлягає модернізації, шляхом заміни радіаторів на
більш ефективні.
Для дотримання оптимальних параметрів мікроклімату в приміщенні
передбачена природна вентиляція (згідно ДБН В.2.5.67-2013) грати якої
знаходяться над дверима.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 60
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Таблиця 6.1 - Нормативні значення параметрів мікроклімату в приміщенні
лабораторії
Температура, Відносна Швидкість руху
Період Категорія
°С вологість, % повітря, м/с
року роботи
Опт. Доп. Опт. Опт. Допуст.
Холодний Iа 22-24 21-25 40-60 0,1 ≤ 0,1
Теплий Iа 23-25 22-28 40-60 0,1 0,1-0,2
Основними джерелами шуму в приміщенні лабораторії є системний блок
ПК, сканер, інші електричні прилади та зовнішній шум від автомагістралі. В
приміщенні лабораторії фактичний шум становить 42-45 дБА (ДСН 3.3.6.037-99),
що повністю відповідає нормативним значеннях 60 дБА.
Інженер працює за ПК не більше 50 % часу впродовж робочого дня.
Тривалість регламентованих перерв через кожну годину роботи становить 15 хв. З
метою зниження нервово-емоційного напруження, втомлення зорового
аналізатора, поліпшення мозкового кровообігу, подолання несприятливих
наслідків гіподинамії, запобігання втоми ДСанПіН 3.3.2.007-98 рекомендує деякі
перерви використовувати для психофізіологічного розвантаження в кінці
робочого дня. Також на інженера впливають також деякі психофізіологічні
чинники, зокрема нервово-психічні перевантаження (монотонність роботи,
розумове перенапруження, тощо), та для зниження цього негативного впливу
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 61
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
рекомендується протягом робочого дня через кожні дві роботи за ПК робити 20
хвилинні перерви.
Лабораторія за категорією вибухопожежонебезпеки відноситься до
приміщень типу В, оскільки в лабораторії в наявності дерев′яні меблі, плакати,
підлога, які є твердими важкогорючими матеріалами (ДСТУ Б В.1.1-38:2016). В
приміщенні лабораторії можливе виникнення пожежі класу – А (горять тверді
горючі речовини) та Е (горіння установок і обладнання, які знаходяться під
напругою).
Відповідно до НАПБ А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки в
Україні» в установі розроблені відповідні заходи щодо забезпечення пожежної
безпеки на підприємстві:
− кожен працюючий на підприємстві проходить навчання (вступний,
первинний та повторний протипожежні інструктажі) та перевірку знань з
пожежної безпеки, при цьому робиться запис в журналі про проведення
протипожежного інструктажу, що дозволяє розпочати роботу;
− при виникненні пожежі існує запасний евакуаційний вихід, та на
кожному поверсі розміщенні схеми евакуації (ДБН В.1.1.7-2016);
− для надійного протипожежного захисту використовуються система
пожежної сигналізації (ДБН В.2.5.56-2014) моделі «ОМЕГА» та вогнегасники
порошкові ВП-2 та ВП-5У (Правила експлуатації вогнегасників), що знаходяться
в приміщенні в кутку біля дверей;
− визначені обов’язки посадових осіб щодо забезпечення пожежної
безпеки;
− призначені відповідальні, які пройшли навчання і перевірку знань з
пожежної безпеки, за пожежну безпеку окремих приміщень;
− встановлений протипожежний режим та визначені місця для куріння.
Евакуаційний вихід виходить на сходову клітку та всі евакуаційні шляхи у
будівлі утримуються вільними. Ширина шляху евакуації становить не менше 1 м,
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 62
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
а дверей евакуаційного виходу – не менше 0,8 м при висоті проходу не менше 2 м.
Над дверима евакуаційного виходу написано слово «Вихід» (ДБН В.1.1.7-2016).
В результаті проведеного аналізу можна зробити висновок, що умови праці
на робочому місці інженера в лабораторії за більшістю показників відповідає
оптимальним параметрам роботи інженера, окрім температури повітря в холодний
період року. Тому, необхідно провести модернізацію системи опалення в даному
приміщенні.
Модернізація системи водяного опалення в приміщенні лабораторії
Система опалення – це сукупність зв’язаних між собою конструктивних
елементів, призначених для одержання, транспортування та передачі необхідної
кількості теплоти в опалюваному приміщенні. Кожна система опалення включає:
генератор теплоти для нагрівання теплоносія, теплопроводів, для
транспортування теплоносія від теплогенератора до опалюваного приміщення та
опалювальні прилади для нагрівання повітря в цьому приміщенні.
Генератором теплоти може бути опалювальний котельний агрегат, де
спалюється паливо, за рахунок чого нагрівається теплоносій або інший
теплообмінний апарат (наприклад, електронагрівач, пароводяний або
водоводяний теплообмінник).
Теплоносій для системи опалення вибирають, виходячи з його фізичних
характеристик, теплотехнічних властивостей, вартості та експлуатаційних затрат.
Теплоносієм може бути рідина (газ) з хорошою теплоакумулюючою властивістю,
рухома, дешева і яка не погіршує санітарно-гігієнічні умови в опалюваному
приміщенні. Цим вимогам відповідають вода, водяна пара та повітря. В окремих
випадках у системах опалення, які працюють періодично (наприклад, тільки
пізньої осені та ранньої весни) і тому є небезпека замерзання води в трубах,
застосовують спеціальні добавки (етиленгліколь, пропіленгліколь), що знижують
температуру замерзання води.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 63
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Залежно від взаємного розміщення основних трьох елементів система
опалення може бути місцевою (одне приміщення) або центральною (кілька
приміщень).
За способом циркуляції теплоносія центральні системи водяного та
повітряного опалення діляться на системи з природною циркуляцією, в яких рух
теплоносія відбувається за рахунок різниці густин холодного та гарячого
теплоносія, і системи з механічною циркуляцією, тобто з переміщенням
теплоносія за допомогою насоса або вентилятора.
Водяне опалення низького тиску відповідає основним санітарно-
гігієнічним вимогам і тому широко використовується на багатьох підприємствах
різних галузей промисловості. Основні переваги цієї системи: рівномірне
нагрівання приміщення; можливість централізованого регулювання температури
теплоносія (води); відсутність запаху гару, пилу при осіданні його на радіатори;
підтримання відносної вологості повітряна відповідному рівні (повітря не
пересушується); виключення опіків від нагрівальних приладів; пожежна безпека.
Основний недолік системи водяного опалення – можливість її замерзання
при відключенні в зимовий період, а також повільне нагрівання великих
приміщень після тривалої перерви в опаленні.
У розрахунок системи опалення входить:
1. розрахунок тепловтрати через стіни;
2. розрахунок тепловтрат через вікна;
3. розрахунок тепловтрат через двері;
4. розрахунок тепловтрат через перекриття;
5. розрахунок тепловтрат через підлогу;
6. урахування втрат на вентиляцію.
В даному випаду приміщення науково-дослідної лабораторії розташоване
на третьому поверсі дев’ятиповерхового будинку, тому розрахунок тепловтрат
для підлоги, перекриття та дверей розраховувати не потрібно.
Обчислення тепловтрат відбувається за формулою (7.1):
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 64
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Q S ⋅T
=
R (6.1)
де Q – тепловтрати через перешкоду [Вт], S - площа перешкоди, [м2], Т –
різниця температур між внутрішнім та зовнішнім повітрям, (50°С), R - значення
теплоопору перешкоди, [м2·°С/Вт].
Розраховуємо тепловтрати через стіни. Тепловтрати розраховуються для
двох зовнішніх стін, якщо площа однієї стіни 10 м2 відповідно площа двох стін
становить 20 м2. Тоді опір теплопередачі для однієї цегляної стіни (товщиною у
дві цеглини (54 см)) дорівнює R = 0,405 м2·°С/Вт та штукатурка по цеглі (2-3 см)
має R = 0,035 м2·°С/Вт (опір теплопередачі для обох стін становить R = 0,88
м2·°С/Вт). Тоді розрахунок тепловтрат для двох зовнішніх стін:
Q 20 ⋅50 ⋅ 2
1 = = 2272[Bт]
0,88
Розрахунок тепловтрат через вікна. В приміщенні знаходиться 4
склопакети розміром 1,5х2,04 м з опором теплопередачі R = 0,32 м2·°С/Вт, при
цьому загальний опір теплопередачі для 4 вікон площею 6,12 м2 (якщо одне вікно
площею 3,06 м2) становить R = 0,64 м2·°С/Вт. Тоді отримуємо тепловтрату від всіх
вікон:
Q 6,12 ⋅50 ⋅ 2
2 = = 956,25[Bт]
0,64
З урахувань втрат на вентиляцію (25%):
Q = (2272 + 956,25) · 1,25 = 4035,31 Вт
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 65
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Для підтримання оптимальної температури повітря в приміщенні в
холодну пору року потрібна система опалення потужністю не менше 4035 Вт.
Були обрані сталеві радіатори Thermoplus KOMPAKT 22 500 x 1100
(Туреччина) від виробника радіаторів Stelrad.
Оптимальне співвідношення променистої і конвекційної складової
опалення сприяє підвищенню комфорту в приміщенні. Вибір радіаторів
Thermoplus є результатом сприятливої ціни за одиницю теплової потужності,
високої ефективності, витривалості і довгостроковій гарантії.
Рисунок 6.1 – Сталевий панельний радіатор Thermoplus KOMPAKT 22
Елегантні і солідні панелі радіаторів Thermoplus ідеально компонуються з
будь-яким інтер'єром. Радіатори Thermoplus відмінно працюють з усіма
системами опалення зокрема зі сталі, міді, металопластиковими трубами, трубами
ПВХ та інші. Можливість роботи з різними джерелами теплопостачання, як з
традиційними так з альтернативними, наприклад, з тепловими насосами.
Панельні радіатори Thermoplus виготовляються відповідно до
міжнародних стандартів EN 442 і BS EN ISO 9001 на 5-ти сучасних виробничих
лініях виготовлених в Швейцарії та Італії. У виробництві використовується сталь
холодної прокатки відповідно до EN10130, процеси по обробці і забарвленням
відбуваються згідно стандарту DIN55900-1.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 66
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Після виготовлення кожен радіатор перевіряється під тиском:
випробувальний тиск радіатора: макс 13 бар; робочий тиск радіатора: макс. 10
бар; максимальна робоча температура: 95 º С.
Характеристики сталевого радіатора Thermoplus KOMPAKT 22:
- матеріал – сталевий;
- тепловіддача – 2017 Вт;
- підключення – бічне;
- тип – 22;
- робочий тиск – 10 атм;
- максимальна температура – 110 º С;
- габаритні розміри (ВхД) – 500х1100 мм.
У процесі модернізації системи опалення в приміщенні лабораторії було
доведено, щоб підтримувати оптимальної температури повітря в приміщенні в
холодну пору року потрібна система опалення потужністю не менше 4035 Вт,
тому було обрано два сталевих радіатора Thermoplus KOMPAKT 22 з
тепловіддачею 2017 Вт кожен.
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 67
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Висновок
У даному дипломному проекті була спроектована система
автоматизованого вимірювання витрат теплоносія при опаленні приміщень. У
наш час, коли запас природних ресурсів обмежений, а, як відомо, для
виробництва теплової енергії необхідна значна кількість палива, виробництво
теплолічильників є досить актуальним питанням.
При виконанні дипломного проекту були розглянуті відомі
теплолічильники, принципи їх роботи. За цими даними був проведений аналіз
недоліків та переваг відомих теплолічильників, що було враховано при
проектуванні системи обліку теплової енергії.
Також у дипломному проекті розглянуті проблемні питання пов’язані з
обліком тепла та встановленням теплолічильників.
Вся необхідна для виробництва теплолічильника документація приведена у
пояснювальній записці. Розроблена структурна схема на якій показані зв’язки між
основними вузлами теплолічильника. Також розроблені схеми електричні
принципові перетворювача та обчислювача – основних вузлів теплолічильника.
У графічному матеріалі на ведені креслення структурної схеми,
електричних принципових схем, складальне креслення друкованої плати,
загальний вигляд теплолічильника.
Було розроблена система що повністю відповідає технічному завданню.
Теплолічильник має індикацію температур у подаючому та зворотному
трубопроводах, має лічильник витрат теплоносія, лічильник теплової енергії та
лічильник роботи приладу. Також передбачено індикацію несправності.
Отже, розроблена система обліку теплової енергії є рішенням багатьох
питань пов’язаних з виробництвом і споживанням теплової енергії. За допомогою
нього можна заощадити не лише кошти, а й природні ресурси, яких стає все
менше і менше
Арк
РС-203ск.024.405.001ПЗ 68
Зм. Арк № докум. Підпис Дата