Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8513| Назва: | Ємнісний перетворювач рівня рідини в автоматичних системах керування |
| Автори: | Тичков, Володимир Володимирович Ротаєнко, Віталій Сергійович |
| Дата публікації: | 15-чер-2024 |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8513 |
| Розташовується у зібраннях: | 151 Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології (Робототехнічні системи та автоматизація) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| КРБ Ротаєнко В.pdf Restricted Access | КРБ Ротаєнко В. | 1.52 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
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 «Ємнісний перетворювач рівня рідини в автоматичних системах
керування»
Виконав здобувач освіти 4 курсу, групи РС-203ск
спеціальність: 151 – Автоматизація та комп’ютерно-
інтегровані технології
освітня програма: Робототехнічні системи та
автоматизація
_____ Ротаєнко Віталій Сергійович .
Керівник Тичков В.В.
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 Обґрунтування необхідності проектування на основі
критичного аналізу існуючих аналогів..................................................... 6
1.1 Датчики рівня.................................................................................... 8
2 Обґрунтування технічного завдання……………………..…………. 18
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми………… 19
3.1 Розробка структурної схеми.............................................................. 19
3.2 Розробка принципіальної схеми................................................................... 21
4 Розрахунок основних елементів приладу............................................ 34
4.1 Розрахунок блоку живлення........................................................ 34
4.2 Розрахунок елементів кварцевого генератора............................ 35
4.3 Вибір мікроконтролера..................................................................... 36
4.4 Класифікація методів конструювання друкованої плати. Вимоги
до конструювання друкованих плат…………………………………………… 37
4.5 Друкована плата. Початкові норми топологічного
конструювання....................................................................................................... 40
4.6 Розрахунок друкованої плати на віброміцність…………………... 43
4.7 Оцінка точності і надійності............................................................... 47
5 Технологічний розділ ........................................................................... 49
5.1 Аналіз на технологічність конструкції виробу.......................... 49
5.2 Розробка технологічного процесу............................................... 50
5.3 Розрахунок розмірів заготовки.................................................... 52
5.4 Вибір матеріалу............................................................................. 53
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата
Разраб. РотаєнкоВ.С. Ємнісний перетворювач рівня Лит. Лист Листов
Провер. Тичков В.В. рідини в автоматичних системах
керування
Н. Контр. Тичков В.В. Пояснювальна записка ЧДТУ
5.5 Розрахунок часу на виготовлення одної плати.......................... 53
6 Спеціальний розділ 56
6.1 Економічне обґрунтування розробки................................................... 56
6.2 Охорона праці 57
Висновки.............................................................................................. 73
Список використаної літератури............................................................. 74
Додаток А Відомість технічного проекту..................................................
Додаток Б Перелік нормативної документації..........................................
Додаток В Перелік елементів і специфікації.............................................
Додаток Г Розрахунок на ЕОМ..................................................................
Додаток Д Документація на технологічний процес............................
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 4
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Вступ
Датчик(первинний перетворювач інформації) - це пристрій, що
перетворює контрольовану і регульовану величину в такий вид сигналу, який
сумісний з подальшими елементами автоматики. У загальнішому
формулюванні прилад здійснює операцію відображення безлічі сигналів на
вході x о X у безліч сигналів на виході y о Y, при цьому вказане відображення
має бути однозначним.
У загальному вигляді датчик можна представити у вигляді чутливого
елементу і перетворювача.
Чутливий елемент в автоматиці виконує функції "органів чуття". Він
потрібний для перетворення контрольованої величини в такий вид сигналу,
який буде зручним для виміру.
У перетворювачі відбувається перетворення не електричного сигналу в
електричний, наприклад, тиск в манометрі електроконтакта спочатку
перетвориться за допомогою чутливого елементу в механічне переміщення
стрілки, а потім в перетворювачі перетвориться в зміну опору.
На вході датчика можуть реєструватися як електричні сигнали, так і не
електричні сигнали. З виходу зазвичай отримують електричні сигнали. Це
викликано тим, що електричні сигнали простіше посилити і передавати на різні
відстані.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. 5
Лист № докум. Підпис Дата
1 Обґрунтування необхідності проектування на основі критичного
аналізу існуючих аналогів
Ємність C конденсатора довільної форми є функцією його конструктивних
параметрів і властивостей середовища, що заповнює простір, що охоплюється
дією його електричного поля.
Зокрема для моделі конденсатора, що ідеалізується, з плоскопаралельними
електродами:
C εcS εε S
= = 0 , (1.1)
δ δ
де εc = εε0 - абсолютна діелектрична проникність середовища;
ε0 = 8,854 ⋅10−12Ф / м - діелектрична проникніст вакууму; (ε- відносна діелектрична
проникність середовища; S - площа електродів; δ – відстань між електродами.
Ця функціональна залежність і покладена в основу роботи ємнісних
вимірювальних перетворювачів переміщень, що впливають безпосередньо на S або
δ, і діелектричних властивостей середовища, що впливають через ε с . Застосування
проміжних вимірювальних перетворювачів, зокрема, механічних пружних
перетворювачів статичних сил, тисків, прискорень і так далі в лінійні або кутові
переміщення значно розширює сферу застосування конденсаторних датчиків
(динанометры, манометри, віброметри, аксельрометры і так далі).
Ємністний вимірювальний перобразователь може бути представлений усього
лише одним потенційним електродом в припущенні, що інший електрод віднесений в
нескінченність. У ідеальному випадку, якщо потенційний електрод є сферою
радіусом r, то ємність конденсатора визначатиметься вираженням:
С =4πε сr . (1.2)
Хоча існує значна кількість різних конструкцій ємнісних перетворювачів,
їх можна класифікувати на три основні групи: датчики з плоскими електродами
(рис. 1.1); датчики з коаксіальними електродами (рис. 1.2 а, б); та датчики з
електродами довільної форми (рис. 1.2 в).
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
6
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Рисунок 1.1 пояснює принцип побудови ємнісних перетворювачів з
плоскими електродами: а) і е) перетворювачів з відстанню, що змінюється, між
електродами; б) і в) перетворювачів з площею перекриття електродів, що
змінюється; г) і д) перетворювачів з діелектричною проникністю, що змінюється,
між електродами.
Рисунок. 1.1 – До принципу дії ємнісних датчиків з плоскими електродами
Для коаксіального перетворювача(рис.1.1а, б) відповідні вирази для
місткості матимуть вигляд:
C 2πεε
= 0l
a ln(1 d R ) і, (1.3)
+ 1
де l −повна довжина електроду, l1 - довжина частини електродів, що
знаходяться в повітрі або іншому газоподібному середовищу c відносною
діелектричною проникністю ε , і l2 - довжина частини електродів, що знаходяться
в досліджуваному середовищі з відносною діелектричною проникністюε 2 ,
d − відстань між електродами, R1 −радіус внутрішнього елетрода.
а) б) в)
Рисунок. 1.2 – Ємнісні перетворювачі: а) і б) з коаксіальними електродами;
в) з електродами довільної форми
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 7
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Конструкції ємнісних датчиків з електродами довільної форми можуть
мати різноманітну конфігурацію, зокрема кільцеву, сферичну, конічну та інші.
Така різноманітність зумовлена специфікою конкретних умов вимірювання. На
рис.1.2 представлено можливий варіант датчика для визначення діелектричних
властивостей рідин або газів [16]. Електроди такого датчика складаються з двох
гнучких проводів (одно- або багатожильних). Один із проводів повинен бути
покритий ізоляцією. Проводки з'єднуються в джгут і довільно зминаються у
форму клубка потрібної конфігурації (сфера, тор, циліндр тощо). Зминання
клубка не повинно бути абсолютним, тобто між проводами мають залишатися
проміжки, які хаотично розподіляються по їх довжині і заповнюються
аналізованим середовищем. Кожен провід з одного або обох кінців підключається
до клем датчика, на які підключається вимірювач ємності. Змінюючи довжину
проводів і ступінь їх стискання, можна значно варіювати початкову ємність
датчика. У цьому випадку «паразитна» ємність провідників перетворюється на
корисну, тобто робочу ємність датчика з високим питомим показником, який
досягає 200-300 пФ/см³. Цей датчик також може бути використаний у системах
дискретного контролю рівня, особливо для визначення межі розділу двох
середовищ: газ-рідина, рідина-рідина.
1.1 Датчики рівня
Існує безліч конструктивних різновидів ємнісних рівнемірів, основні
відмінності яких залежать від електропровідності досліджуваної речовини. У
рівнемірах для електропровідних рідин один із електродів покривають
ізоляційним матеріалом, тоді як для неелектропровідних рідин електроди
залишають неізольованими.
В рівнемірах як для електропровідних, так і для неелектропровідних рідин,
електроди датчиків можуть бути виконані у вигляді стрижнів, плоских пластин
або циліндрів. Другим електродом може слугувати металева стінка посудини з
досліджуваною речовиною.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
8
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Однією з найпоширеніших конструкцій є коаксіальний датчик. Внутрішні і
зовнішні циліндричні електроди цього датчика розташовуються в резервуарі з
досліджуваною рідиною. Якщо резервуар не заповнений рідиною, ємність між
електродами датчика змінюється.
C C 2πεε l
= 0
0 + ln (1+ d / R ) , (1.4)
1
де l - повна довжина електродів; R1 і d - радіус внутрішнього електроду і
відстань між електродами; С0 - ємність, обумовлена прохідними ізоляторами і
сполучними дротами від електродів до вторинної вимірювальної апаратури.
Після заповнення резервуару до рівня h ємність зміниться до значення
C = C 2πεε0l 2πε (ε −ε )h
0 + + 0 X . (1.5)
ln(1+ d / R1) ln(1+ d / R1)
Наведений вираз є спрощеною функцією перетворення ємнісного датчика
рівня неелектропровідної рідини. Еквівалентна ємність цього датчика складається
з трьох паралельно з'єднаних місткостей. Якщо діелектричну проникність
досліджуваного середовища можна вважати постійною, інформативною є лише
третя складова еквівалентної місткості. Оскільки перші дві складові не несуть
корисної інформації, для підвищення чутливості ємнісного перетворювача
необхідно передбачити їх компенсацію у схемі.
Варто зазначити, що в реальних умовах εX може змінюватися, наприклад,
через зміни температури досліджуваної рідини або її хімічного складу. Щоб
зменшити вплив змін εX на результат вимірювання, у конструкцію датчика
додають додатковий компенсаційний конденсатор, розташований біля нижньої
частини основного перетворювального елементу (рисунок 1.3). Електроди 2 і 3
утворюють основний конденсатор, ємність якого залежить як від рівня рідини, так
і від її діелектричної проникності, тоді як електроди 4 формують додатковий
(компенсаційний) конденсатор, що постійно знаходиться в рідині, і його ємність
залежить лише від εX. Підключення ємності компенсаційного конденсатора до
вимірювального ланцюга дозволяє коригувати вихідний сигнал рівнеміра при
зміні властивостей рідини (тобто εX).
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
9
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Рисунок 1.3 - Ємнісний датчик рівня рідини з компенсаційними
конденсаторами
Оскільки простір над досліджуваною рідиною завжди буде насичений її
випарами, а діелектрична проникність цього простору відрізняється від
проникності повітря, для зменшення впливу цих змін у ємнісних перетворювачах
застосовують додатковий компенсаційний конденсатор, який розташовують над
робочим конденсатором.
У ємнісних датчиках рівня електропровідних рідин один з електродів
виконується у вигляді ізольованого стержня, а іншим можуть бути металеві стінки
резервуару. У випадку з неметалічними резервуарами використовується
неізольований циліндр, що охоплює металевий ізольований стержень.
Ємнісні рівнеміри відзначаються відносно високою точністю, доступною
вартістю, простотою конструкції та легкістю монтажу в резервуарі. Вони також
можуть функціонувати в широкому температурному діапазоні. Проте вони не
підходять для вимірювання рівня в'язких рідин, рідин, що кристалізуються, або
тих, що утворюють осад. Ще одним недоліком є їх висока чутливість до змін
електричних властивостей рідини та місткості між проводами, що з'єднують
перетворювач з вторинною апаратурою. Загальна похибка стандартних ємнісних
рівнемірів становить 2-5%.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 10
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Окрім цього, слід враховувати характер залежності вихідного сигналу від
вимірюваної величини, оскільки вихідний сигнал може мати лінійну залежність
або змінюватися разом з ємністю, або зі зміною ємнісного опору.Ємнісні датчики
рівня на основі коаксіальних конденсаторів мають ще один недолік, що полягає в
тому, що в тих випадках, коли на електродах датчика залишаються краплі рідини,
це призводить до збільшення погрішності виміру.
Представляє інтерес ємнісній спосіб виміру рівня електропровідних і
діелектричних рідин, що не вимагає якого-небудь переградуювання при зміні
властивостей контрольованого середовища, будь то трансформаторна олія або
сірчана кислота [8].
У загальному випадку, ємністний рівнемір містить два ідентичних
коаксіальних конденсаторних датчика 1 і 2(рис.1.4 а), один з яких длинее іншого.
При цьому, довжина коротшого конденсаторного датчика має бути не менше
діапазону зміни рівня контрольованої рідини. Нижній кінець датчика 2 постійно
занурений в контрольовану рідину і виконує функції датчика діелектричних
властивостей цієї рідини.
а) б)
Рисунок 1.4 – Спосіб виміру рівня : а) еквівалентна електрична схема
ємнісного рівнеміра з коаксіальними датчиками для діелектричної рідини;
б) еквівалентна схема ділянки коаксіального датчика на межі розділу «повітря -
електропровідна рідина»
Суть способу полягає в наступному.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 11
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Вимірюється ємність конденсаторного датчика 1:
СА = С1+С2 , (1.6)
де: С1 - ємність незаповненою рідиною частини конденсаторного датчика 1;
С 2 -ємність зануреної частини цього датчика.
Потім вимірюється загальна ємність датчика 2:
СВ = С1+ С2 + С3 , (1.7)
де: С1 - ємність, постійно зануреній нижній частині конденсаторного
датчика 2 в контрольовану рідину.
Використовуючи поняття питомої місткості γ на одиницю довжини
коаксіального датчика(у незаповненому стані) можна представити С1 і С 2 у виді:
С1 = γh1ε 1 , (1.9)
С 2 = γε 2(L − h1) , (1.10)
де: ε1 - відносна діелектрична проникність повітря( ε1 ≈1);
h1 - довжина незануреної частини датчиків;
ε2 - відносна діелектрична проникність контрольованої рідини;
L - довжина конденсаторного датчика 1.
Ємність постійно зануреної нижньої частини конденсаторного датчика 2
можна представити:
С3 = С0ε 2 = γh3ε 2 , (1.11)
де: С0 - початкова ємність, постійно зануреній нижній частині
конденсаторного датчика 2 на повітрі, тобто до занурення в контрольовану
рідину.
Шляхом нескладних перетворень можна отримати:
γ CB −CA L −CA
h C0
1 = C C .
γ B − A
− γε 1
C0
Для спрощення запису вводять конструктивні константи ємнісних
датчиків :
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. Лист № докум. 12
Підпис Дата
γ
= A [м-1]; [безрозмірна величина];
C0
γε1 = В [пФ/м].
Тоді розрахункова формула набере компактного вигляду:
h D(CB −CA) −CA
1 = ,
A(CB −CA) − B
де: А, В, і D - конструктивні параметри датчиків 1 і 2, які визначаються
експериментально при їх виготовленні
Представлена розрахункова формула призначена для визначення рівня від
верхньої відмітки коаксіальних датчиків 1 і 2.
Якщо шкалу відліку рівня h2 «прив'язати» до нижнього кінця датчика 1, то
виходить дещо інший алгоритм розрахунку рівня :
h CA − Е
2 = .
A(CB −CA) − B
де: Е - новий конструктивний параметр.
У загальному випадку, за точку відліку можна прийняти будь-яку відмітку
на уявній вертикале резервуару.
Шляхом нескладних геометричних побудов легко вичислити відповідну
поправку h0. Тоді розрахункові формули наберуть вигляду:
(1.12)
У разі виміру рівня електропровідної рідини один з електродів ємнісних
датчиків 1 і 2 повинен мати ізоляційне покриття. Природно, таким електродом
має бути потенційний електрод. При цьому матеріал ізоляційного покриття має
бути одним і тим же для обох датчиків 1 і 2. В цьому випадку датчики 1 і 2 стають
двошаровими конденсаторами. На рисунку 1.4, би представлена еквівалентна
схема ділянки датчика на межі розділу «повітря-рідина». Неважко помітити, що в
цьому випадку незаповнена рідиною ділянка датчиків 1 і 2 матиме ємність С1 ,
утворену послідовним з'єднанням С1 − 2 і С1 − 1 , а імпеданс зануреної частини
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 13
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
датчиків приймитиметься вимірювальним пристроєм як деякий ємністний
елемент з уявною або ефективною ємністю, залежною від ряду параметрів :
електропровідності рідини(опори витоку RУТ на рисунок. 1.4, б), діелектричних
властивостей ізоляційного покриття і самої рідини(а точніше від співвідношення
RУТ і ємнісного опору конденсатора С 2 − 1).
Зокрема, якщо RУТ → 0, то С 2 →С 2 − 1 .
Але так само «поводиться» і постійно занурена в рідину нижня частина
датчика 2, оскільки його потенційний електрод покритий тим же ізоляційним
матеріалом. Тому в розрахунках братиме участь в цьому випадку деяка уявна або
ефективна відносна діелектрична проникність контрольованого середовища, яке
в окремому випадку при RУТ → 0 визначатиметься тільки діелектричними
властивостями ізоляційного покриття.
З урахуванням вищевикладеного алгоритми розрахунку, що легко
реалізовуються на базі сучасних мікроконтролерів, залишаться колишніми. У
цьому і полягає унікальність цього способу виміру рівня, що використовує
загальновідомий класичний принцип реєстрації відмінності діелектричних
властивостей на межі розділу «повітря-рідина» і, в той же час, що повністю
виключає з розрахункового алгоритму не лише саме поняття «Діелектрична
проникність», але і інші параметри контрольованої рідини(температура, склад,
електропровідність і так далі), що впливають на неї.
Конденсаторні датчики 1 і 2 можуть бути виконані однакової довжини. У
такому разі на нижньому кінці датчика 2 має бути розміщений компактний датчик
діелектричних властивостей, що має ємність до занурення С0 і підключений
паралельно до датчика 2. В якості такого можна рекомендувати датчик по
рисунок 1.2, в.
На рисунок 1.5 представлена конструкція ємнісного датчика, виконаного у
вигляді циліндричної труби 2 з електродами 1, розташованими на внутрішній
поверхні труби і такими, що утворюють паралельно сполучені конденсатори.
Електроди покриті ізоляційним матеріалом.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
14
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
1
2
Рисунок 1.5 – Ємнісний датчик рівня у вигляді труби з електродами на
внутрішній стороні: 1-електроди; 2 - труба
При поданні на електроди напруги навколо них утворюється неоднорідне
електричне поле, яке залежить від ширини електродів, відстані між ними,
діелектричної проникності досліджуваної рідини, а також глибини занурення
електродів 2 в рідину. Зміна глибини занурення призводить до зміни
напруженості поля і, отже, місткості датчика.
Ємність такого датчика розраховується по формулі [2, 5, 14, 16]:
l n/2
C ≈ ∫ 2n∑ επ dl , (1.13)
0 i=1 2 1 λ 2 2λ cos(π π (2i −1)
+ − − )
ln n
1−λ
деλ 1
= a
1+
d
2n - кількість електродів; a - ширина електродів; l - довжина електродів;
d - відстань від електроду до вершини кута, утвореного сусідніми
електродами.
Ємність датчика еквівалентна паралельному з'єднанню двох місткостей,
одна з яких - це ємність частини датчика заввишки h, заповненою рідиною з
відносною діелектричною проникністю ε, інша - ємність вільної від рідини
частини датчика заввишки (H - h).
Виходячи з цього, вираження для місткості датчика, зануреного в рідину,
має вигляд:
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. Лист 15
№ докум. Підпис Дата
C =C0 × (ε ⋅h + H − h) =C0 ⋅[H + h(ε −1)], (1.14)
де C0 - ємність одиниці довжини датчика без рідини; H - висота електродів;
h - висота рівня рідини.
Вхідною величиною цього датчика є твір h⋅(ε - 1).
Залежність місткості датчика C від глибини занурення в рідину h лінійна.
На рисунок. 1.6 представлена конструкція ємнісного датчика, виконаного у
вигляді циліндра 2 з електродами 1, розташованими на зовнішній поверхні
циліндра і паралельно сполучені конденсатори, що утворюють [1].
1
2
Рисунок 1.6 – Циліндричний ємнісний датчик: 1 – електроди; 2 -
діелектричний циліндр
На рисунок. 1.7 показана конструкція ємнісного датчика, виконаного у
вигляді циліндричної труби 2 з електродами 1, розташованими на внутрішній
поверхні труби перпендикулярно дотичним до циліндричної труби в точках
торкання і паралельно сполучені конденсатори, що утворюють [16].
1
2
Рисунок. 1.7 – Ємнісний датчик рівня з радіальними електродами:
1 - електроди; 2 - труба
Залежність місткості датчика C від глибини занурення в рідину h лінійна.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. 16
Лист № докум. Підпис Дата
Використання конструкції датчика, показаної на рис.1.13, при однакових
розмірах електродів дозволило збільшити чутливість датчика в 1,22 разу в
порівнянні з датчиком, зображеним на рисунок. 1.5.
У роботі [16] запропонована конструкція ємнісного датчика рівня,
виконаного у вигляді циліндра 2 з електродами 1, розташованими на зовнішній
поверхні циліндра, а електроди 1 покриті ізоляційним матеріалом(рисунок. 1.8).
1
2
Рисунок 1.8 – Ємнісний датчик рівня з радіальними електродами на
зовнішній поверхні циліндра : 1 - електроди; 2 - циліндр
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
17
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
2 Обґрунтування технічного завдання
Принцип роботи вимірювача рівня нафтопродуктів базується на зміні
ємності первинного перетворювача, який функціонує як конденсатор, наприклад,
з циліндричними електродами, поміщеними у резервуар, де вимірюється рівень
рідини. Конденсатор може бути утворений стінкою резервуару та щупом, які
виступають як його електроди. Важливо, щоб довжина електродів відповідала
максимальному рівню рідини, яку необхідно вимірювати.
Ємнісний рівнемір може використовуватися для визначення висоти h
площини розділу двох речовин, що відрізняються електричними властивостями.
Оскільки діелектрична проникність рідин, рівень яких вимірюється, (εp)
відрізняється від діелектричної проникності повітря (εn) або суміші пари рідини
та повітря, ємнісний перетворювач можна уявити як два паралельно з'єднані
конденсатори.
У практичних конструкціях ємнісних перетворювачів рівня рідин для
забезпечення механічної міцності та зменшення відносного переміщення
електроди фіксуються за допомогою прокладок, шайб та інших елементів.
Наявність цих конструктивних компонентів, а також виводів для підключення
перетворювача до вимірювальної системи, створює так звану конструктивну
складову ємності, яка не змінюється з рівнем заповнення перетворювача рідиною.
Робота пристрою заснована на відомому методі вимірювання тривалості
зарядки та розрядки конденсатора від джерела напруги через резистор із відомим
опором. Діапазон вимірюваних значень ємності становить від 1 нФ до 12000 мкФ,
і він розділений на два піддіапазони: "нФ" і "мкФ". Для вимірювання ємності
конденсаторів без їх випаювання з плати необхідна мала амплітуда напруги на
конденсаторі, щоб уникнути впливу р-n переходів напівпровідникових приладів. З
цієї причини зразкове джерело має напругу 0,5 В..
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
18
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми
3.1 Розробка структурної схеми
Заявка на винахід 2008142755/28, 26.03.2007
Група винаходів відноситься до ємнісного ланцюга датчика для
технологічних параметрів. Технологічний параметр, що виявляється, може
представляти тиск, силу, прискорення, нахил, температуру або інший технологічний
параметр, який можна виявити ємнісним способом. Пристрій містить: дільник
напруги, який включає першу і другу місткості; детектор; ланцюг управління;
синхрогенератор; ланцюг корекції нелінійності; два резистори; перемикачі.
Щонайменше, одна з місткостей змінюється під дією технологічного параметра.
Особливістю способу є те, що виконується виявлення на частоті розпізнаного
відображення вхідного сигналу детектора, що несе, і управління огинаючої смуги
частот модулюючих сигналів модульованих потенціалів. Ланцюг функціонує за
принципом замкнутого циклу, внаслідок чого амплітуди модульованих потенціалів
змінюються, приводячи вхід детектора до середнього значення близько до нуля.
Технічним результатом від використання винаходів є забезпечення підвищеної
точності в ємнісних датчиках.
Рисунок 3.1 – Структурна схема пристрою
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 19
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Заявка 2286603 G08B13/26 (2006.01)
Винахід відноситься до систем автоматичного управління. Система ємнісного
датчика для управління роботою пристрою у відповідь на швидкість зміни місткості
із-за руху найближчого об'єкту містить два прочитуючі електроди, розташованих на
поверхні і ланцюг фазової синхронізації, що включає генератор, керований напругою,
і блок порівняння фази і частоти, включений між прочитуючими електродами, а
також радіочастотну схему, що служить для забезпечення робочої частоти для
прочитуючих електродів. Контурна схема, що включає генератор опорної частоти,
забезпечує фіксовані опорні частоти для стеження за ланцюгом фазової
синхронізації. Ланцюг затримки по фазі, включений між вказаним блоком порівняння
фази і частоти і вказаним генератором, керованим напругою, подає сигнали для
формування коливань, керованих напругою, які формуються перед формуванням
коливань, що створюються генератором опорної частоти. Спускова схема забезпечує
вихідні сигнали, що управляють, у відповідь на зміну в зрушенні фази і у вказаній
робочій частоті.
Рисунок 3.2 – Структурна схема пристрою
Враховуючи вище сказане приступаємо до розробки структурної схеми
ємнісного перетворювача вимірювання рівня палива,якй представлений на
рисунку 3.3.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 20
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Рисунок 3.3 – Структурна схема ємнісного перетворювача вимірювання
рівня палива
3.2 Розробка принципіальної схеми
Вимірювальні схеми ємнісних датчиків
Ємнісні датчики мають порівняно високу точність і досить низьку
вартість. Проте розробники, що вирішили використати ємнісні датчики у своїй
конструкції, вимушені передбачити спочатку перетворення ємності в напругу, і
потім перетворюється на цифровий сигнал за допомогою високоточних АЦП. У
підсумку, система може виявитися дорожчою, менш точною або навіть обидва
варіанти одночасно [3, 4]..
Існує декілька типових методів виміру місткості.
Прямий метод передбачає заряджання конденсатора від джерела струму
протягом певного часу з подальшим вимірюванням напруги на конденсаторі. Для
цього методу потрібне прецизійне джерело дуже малого струму та вхід
вимірювача напруги з високим імпедансом.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. Лист № докум. Підпис 21
Дата
Інший метод використовує вимірювану ємність як часовий елемент в RC-
генераторі, після чого вимірюється постійна часу, частота або період. Цей метод є
простим, але зазвичай не забезпечує високої точності.
Ще один підхід передбачає вимірювання імпедансу конденсатора на
змінному струмі. До конденсатора підключається джерело синусоїдального
сигналу, і вимірюються напруга та струм через конденсатор. Використовуючи
чотирипровідне логометричне підключення (де вимірюється співвідношення
імпедансів) та синхронний демодулятор, можна досягти найточніших результатів.
Однак така схема є досить складною та складається з багатьох компонентів.
Найбільш поширений метод вимірювання ємності прецизійного датчика з
малою ємністю полягає у використанні зарядового підсилювача, який перетворює
співвідношення вимірюваної та опорної ємностей у сигнал напруги. Ця схема
реалізована у вигляді спеціалізованих мікросхем і підходить для масового
виробництва.
У всіх описаних методах ємність спочатку перетворюється на напругу, а
потім на цифровий код за допомогою прецизійного АЦП..
На рисунок 4.1 показана схема ланцюга з ОУ, побудована за принципом
дільника напруги [6]. В даному випадку Uвых = U ≈ C1/C2. C допомогою такого
ланцюга зручно перетворювати в напругу зміну проміжку між обкладаннями
конденсатора С (U = U∼ C1δ2 вых 2 ) або зміна площі конденсатора
ε0S2
ε S
C1 (U = U 0 1
вых ∼ δ C ).
1 2
У обох випадках залежність вихідної напруги від вимірюваної величини
буде лінійною.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 22
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
С1 С2
Се3
С Се2
е1
-
+
U~ Uвих
Рисунок 3.4 - Схема перетворення місткості в напругу
У схемі 3.4 ємності екранованих дротів Се1, Се2 та Се3 практично не
впливають на роботу вимірювального пристрою. Це пояснюється тим, що
ємності Се1 і Се3 підключені паралельно до джерела змінної напруги, яке має
низький вихідний опір. Водночас ємність Се2 підключена паралельно до входів
операційного підсилювача (ОУ), і напруга на ній майже дорівнює нулю.
Диференціальні ємнісні датчики зазвичай включаються в мостові
вимірювальні схеми. На рисунку 3.5 представлені приклади таких схем, що
містять мости з індуктивно-пов'язаними плечима [6].
Вихідний сигнал у схемі (рисунок 3.5, а) подається на вхід повторювача
напруги, виконаного на операційному підсилювачі (ОУ). Якщо припустити, що
напруга на кожній половині вторинної обмотки трансформатора дорівнює U, то
вихідна напруга буде Uвих = U (С1 – С2) / (С1 + С2).
Ємності Се1 і Се2 екранованих дротів, що з'єднують датчик з
трансформатором, підключені паралельно напівобмоткам трансформаторів і не
впливають на роботу схеми. Для зменшення впливу ємності екранованого дроту,
що з'єднує датчик з підсилювачем, застосовується схема еквіпотенціального
захисту. Для цього використовується дріт з подвійним екраном: зовнішній екран
приєднується до землі, а внутрішній – до виходу повторювача напруги. Струм з
центрального провідника на внутрішній екран відсутній, оскільки напруга в
точках а і б відносно землі однакова. Струм між внутрішнім і зовнішнім
екранами не впливає на роботу пристрою, оскільки навантажує низькоомний
вихід повторювача напруги..
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. Лист № докум. Підпис 23
Дата
а) б)
С С
э 3
1 С С3
1 С1
а
б -
+ -
+
С2 U
С вих С2 Uвих
э2
в) г) 3
1
1 3 5 4
- 5 -
+ 6 +
2 4 6 Uвих 2 7 Uвих
Рисунок 3.5 – Мостових вимірювальних ланцюгів ємнісних датчиків
Необхідність у двох екранах зникає при підключенні виходу моста до
інвертуючого входу операційного підсилювача (рисунок 3.5, б). Оскільки
потенціал на цьому вході підсилювача близький до нуля, то струм між дротом,
підключеним до цього входу, і екраном, що його оточує, практично дорівнює
нулю. Для ланцюга(рисунок 3.5, б) вірне співвідношення Uвих = U∼ (С1 − С2) /С3.
На рисунок 3.5, в показана модифікація мостового ланцюга при
ємнісному токосъеме з рухливої пластини. Екрани і паразитні місткості на схемі
рисунок 3.5, в і на подальших схемах не показані з метою спрощення малюнків.
Позначимо місткості між нерухомою і рухливою пластинами індексом, що
відповідає номеру нерухомої пластини.
У плече моста входять місткості C1 + С5 і С2 + С6. Через ємність С3 + С4
підключена вершина вимірювальної діагоналі моста до виходу ОУ. В результаті
вихідне, напруга Uвых визначиться формулою:
(С1 +С5 ) − (С2 +С6 ) С3 +С
U 4
вих = U∼ С1 +С2 +С3 +С С С С (3.1)
4 + 5 + 6 о.с. .
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 24
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
При переміщенні пластини в напрямі, вказаному стрілкою, ємність C1 + С5
збільшується, ємність С2 + С6 зменшується, а ємність токосъема С3 + С4 залишається
практично незмінною, оскільки ємність С3 збільшується, а ємність С4 зменшується.
У схемі, приведеній на рисунок 3.2, г, На рисунку показано, як за
допомогою охоронних електродів можна покращити характеристики ємнісних
перетворювачів. У цих перетворювачах пластини 1, 4 і 2, 6 утворюють
вимірювальні конденсатори. Пластини 3, 5, 7 служать охоронними електродами.
Оскільки пластини 4 і 6 підключені до інвертуючого входу операційного
підсилювача (ОП), напруга на них дуже близька до нуля. Через це поле між
пластинами 1 і 3, 4, 5, а також між пластинами 2 і 5, 6, 7 буде практично
однорідним, що виключає вплив крайового ефекту на роботу перетворювачів
(крайові спотворення поля тепер спостерігатимуться між пластинами 1, 2 і 3, 5, 7).
Загальним недоліком схем, наведених на рисунках 1.16 і 1.17, є те, що вони
можуть бути рекомендовані лише для датчиків, у яких усі пластини ізольовані від
корпусу, що іноді важко реалізувати конструктивно..
Представляє інтерес використання стандартної мікросхеми прецизійного
таймера NE555 на біполярних транзисторах, або її сучасніший аналог на базі
КМОП-технологий таймера ICM7555 [19].
На рисунку 3.6, а показана схема підключення датчика СХ до мікросхеми
NE555.
Мікросхема включена в режимі мультивібратора. У часовизначальний
ланцюг RC- генератора включені часовизначальні резистори R1 і R2 з відомими
значеннями опорів. Перетворений сигнал у вигляді частоти може подаватися на
будь-який мікроконтролерний пристрій для подальшої обробки.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 25
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
(а) (б)
Рисунок 3.6 – Вимірювальний пристрій на базі таймера: а) схема
вимірювального перетворювача ємність-частота; б) графік залежності частоти
інформаційного сигналу від параметрів R1, R2 і СХ
Слід зазначити, що для досягнення необхідної чутливості і стабільності
роботи пристрою в потрібному діапазоні вимірюваної місткості потрібно підбір
параметрів часовизначальних елементів R1 і R2(див. рисунок 3.6, б).
Пристрій має чутливість 0,01пФ.
Компанією «Galltec+MELA» ця схема також з успіхом застосовується в
електронних схемах чутливих елементів устаткування для виміру вологості.
Застосування в якості таймера мікросхеми ICM7555 дозволяє на порядок
понизити струм споживаний пристроєм з 10mА до 100μА, що додає безперечні
переваги при конструюванні пристроїв з автономним живленням.
Найбільш перспективними є микроконтроллерные вимірювальні пристрої,
що дозволяють не лише вимірювати ємність датчика, але і проводити з отриманим
результатом виміру необхідні розрахунки.
Зокрема реалізацію і алгоритмів успішно виконує пристрій, що
реалізовується, зокрема, на базі мікроконтроллера AVR ATMEGA 8-16PI фірм
«Atmel», що дозволяє інтегрувати її з системами користувача по стандартному
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 26
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
магістральному ізольованому інтерфейсу RS - 232/RS - 422/ RS – 485
(рисунок 3.7).
Рисунок 3.7 – Схема електрична принципова пристрої для виміру місткості
датчиків CА і CВ
Принцип виміру електричної місткості, в цьому пристрої, заснований на
вимірі часу заряду конденсаторних датчиків CА і CВ до заданих порогових
значень напруги, контрольованої вбудованими АЦП мікроконтроллера. Для
формування опорної напруги, необхідної для роботи АЦП служить конденсатор
С5. Заряд конденсаторних датчиків CА і CВ здійснюється через часовизначальні
резистори R1 і R4, а їх розряд перед подальшими циклами вимірів здійснюється
за допомогою транзисторних ключів VT1 і VT2. Для перепрограмування
пристрою і зміни функціональних завдань, на схемі встановлений інтерфейсний
роз'єм програмування ISP(на рисунок. не показаний).
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
27
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Отримані значення електричних місткостей конденсаторних датчиків
вимірюються по черзі і багаторазово, а потім усереднюються і беруть участь в
подальших розрахунках, згідно з одним з алгоритмів.
Мікроконтроллер має вільні висновки портів, тому пристрій паралельний з
виміром електричної місткості може вести виміру і інших величин, наприклад
температури.
Візуалізація результатів вимірів здійснюється, залежно від файлу
прошивки мікроконтроллера, на цифровому рідкокристалічному дисплеї в різних
форматах, наприклад:
« CА =ХХХХХ h=ХХХХХмм/см/м «;
CВ=ХХХХХ.
Пристрій є універсальним і має декілька режимів роботи : режим виміру,
режим налаштування, режим виміру \ налаштування. Перемикання режимів і
введення значень констант або інших параметрів здійснюється за допомогою
трьох тактових кнопок S1 + / Reset; S2 - / Reset; S3 / menu .
Особливістю цього вторинного приладу є отримання і передача
вимірюваної величини в цифровому виді, що дає можливість усунути додаткові
погрішності, пов'язані з дистанційною передачею даних. Крім того отримуваний
цифровий сигнал дає можливість зв'язати пристрій з будь-якими приймальними
приладами.
На рисуноку 3.8 показана спрощена схема перетворювача з перемиканням
конденсаторів, у якій змінний конденсатор Сх і еталонний конденсатор Сr є
складовими частинами симетричного кремнієвого датчика тиску. Вбудовані МОП-
ключи (1(4) працюють парами в протифазі і управляються тактовими імпульсами
ф1 і ф2.
При замиканні відповідної пари ключів відбувається заряд того або іншого
конденсатора сигналом від джерела постійної напруги Uп. Сумарний заряд в
загальній точці конденсаторів пропорційний різниці Сх − Сr, і, отже, тиску,
прикладеному до датчика. Цей заряд поступає на вхід перетворювача заряду в
напругу, що складається з ОУ, інтегруючого конденсатора Сf і МОН ключа 5,
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
28
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
використовуваного для розряду Сf. Вихідний сигнал такого перетворювача є
імпульсним сигналом зі змінною амплітудою, який може бути переданий по лінії
передачі, або демодулюється для отримання лінійного сигналу, або перетворений в
цифровий код. Оскільки для побудови інтегратора використовується ОУ з високим
коефіцієнтом посилення, величина його вихідної напруги не залежить ні від
паразитної вхідної ємності З, ні від напруги зміщення, ні від температурного дрейфу.
Uп сб р о с 5
1 Сf
С r -
+
2 Uв ы х
ф2 3 С x
ф1 4 С
Рисунок 3.8 – Спрощена схема диференціального перетворювача місткості в
напругу
На рисунку 3.9 зображено модифіковану схему сигма-дельта модулятора.
Фіксовану вхідну напругу можна розглядати як напругу збудження. Конденсатор,
чия ємність змінюється, виступає в ролі ємнісного датчика. В результаті вихідний
код відповідатиме співвідношенню місткості датчика і опорної місткості CREF.
Цей підхід дозволяє здійснити пряме підключення ємнісного датчика
сигма-дельта перетворювачу, що саме по собі забезпечує такі переваги, як висока
роздільна здатність, точність і лінійність. Крім того, є і, інші особливості
використання описаної схеми в реальній системі.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 29
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Fe e d b a c k Di g i t a l
fi l t e r
V ( + ) С 01 0 0 1 1 0
RE F RE F С IN T
VR E F ( - ) Cl o c k
Ex c i t a t io n С In t e g r a t o r C o m p a r a t o r
vo lt a g e SE N S O R
Рисунок 3.9 – Сигма-дельта АЦП в якості прямого вимірника місткості [3]
Такий інтерфейс не чутливий до величини місткості між виводами,
характерними для реальних конструкцій. Перетворювач місткості в цифровий
код може бути втілений повністю у вигляді однокристального пристрою, що в
результаті забезпечує високу міру інтеграції, простоту реалізації схеми, високу
повторюваність, високу надійність, і ( останнє по порядку, але не за значимістю
значне зниження собівартості проекту.
У [3] описаний ємнісний датчик переміщення. Принцип його роботи
простий: смужка, виконана з діелектричного матеріалу з відомою діелектричною
проникністю, переміщається між двома нерухомими пластинами. Рухлива
смужка має ширину 10мм. Початкова ємність(коли смужка не всуває в проміжок)
складає 4,5 пФ. Ємність змінюється приблизно на 0,126 пФ на міліметр при русі
смужки в проміжку між пластинами конденсатора.
Датчик підключений безпосередньо до перетворювача CDC, і таким
чином уся схема перетворювача складається з однієї ІС(рисунок 3.10).
I 2 C i n t e r f a c e
Di g i t a l 1 S C L SD A 1 6 t o a h o s t m i c r o c o n t r o l l e r
fi l t e r 2 R D Y NC 15 14
3V
3 E X C A
4 AD 7 7 4 6 V D O +
5 E X C B GN D 1 3 10 m F
6 R E F ( + ) AI N ( - ) 1 2
7 R E F ( - ) AI N ( + ) 1 1 0. 1 m F
8 C I N 1 ( + ) CI N 2 ( - ) 1 0
CI N 1 ( - ) CI N 2 ( + ) 9
Рисунок 3. 10 – Схема підключення ємнісного датчика до ІС AD7746
ємності
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 30
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Уся схема розташована на тій же друкованій платі, що і датчик.
Перетворювач нечутливий до паразитної місткості між електродами датчика і
«землею», і це сильно спрощує завдання екранування датчика. Навіть доріжки від
датчика до перетворювача можна оточити «земляною» поверхнею, отримавши у
результаті структуру, подібну до коаксіального кабелю.
Перетворювач AD7746, який використовується в даному прикладі, має
діапазон вимірюваної місткості ±4пФ [3]. Цей діапазон за рахунок конфігурації
перетворювача можна «змістити» на 17 пФ. Типова величина роздільної здатності
в діапазоні ±4 пФ складає 18 розрядів. Інтегральна нелінійність CDC не гірше
0,01%. За рахунок заводського калібрування погрішність посилення не перевищує
4 фФ(4∙10-15 Ф).
Зіставлення параметрів датчика і перетворювача дає нам наступні цифри;
повний діапазон переміщення складає близько 65 мм, роздільна здатність 0,25
мм, інтегральна лінійність ±7 мм.
Мікросхема CDC AD7746 має вбудований температурний датчик, а також
другий канал виміру місткості, так що на базі цієї ІС можна реалізувати будь-
який з описаних підходів. ІС призначена для роботи в температурному діапазоні
- 40°С...+125°З, що дозволяє розміщувати її поблизу датчика. У такому разі
температура кристала AD7746 і температура датчика будуть досить близькі. Але
в даній ІС є також стандартний диференціальний вхід напруги і вхід опорного
джерела, тому до неї можна підключити зовнішній датчик
температури(термістор або резистивний температурний датчик RTD) [3].
Врахвуючи аналоги розробимо схему пристрою.
Основу роботи пристрою складає відомий метод виміру тривалості зарядки
і розрядки конденсатора через резистор відомого опору від джерела напруги.
Діапазон вимірювання місткості коливається від 1 нФ до 12000 мкФ і поділений
на два піддіапазони, які умовно позначаються як "нФ" і "мкФ". Для вимірювання
місткості конденсаторів без їх випаювання з плати необхідно використовувати
малу амплітуду напруги на конденсаторі, щоб уникнути впливу р-n переходів
напівпровідникових приладів. Тому зразкове джерело має напругу 0,5 В.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. 31
Лист № докум. Підпис Дата
Схема пристрою зображена на рисунку 3.11.
Рисунок 3.11 – Схема розробляємого пристрою
Основна робота пристрою забезпечується мікроконтролером DD1.
Синхронізація роботи його вузлів здійснюється від вбудованого генератора з
зовнішнім кварцевим резонатором ZQ1. У складі мікроконтролера DD1 є
аналоговий компаратор, який використовується для контролю напруги зарядки і
розрядки вимірюваного конденсатора. Входи цього компаратора сполучені з
портами РВО та РВ1. Вимірюваний конденсатор підключається до гнізд XS1 та
XS2, і його зарядка та розрядка відбувається за допомогою напруги високого або
низького рівня з порту РВЗ через резистивний дільник R1-R3R7R10.
Контакти перемикача SA1.1 шунтують резистор R2 на межі "мкФ",
збільшуючи значення як зарядного, так і розрядного струму. Контакти
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 32
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
перемикача SA1.2 на піддіапазоні "нФ" сполучають лінії PD1 і PD3 через резистор
R19, що фіксується мікроконтролером DD1 як установка цього піддіапазону.
Ще одне джерело зразкової напруги, відносно якої робляться виміри,
зібране на операційному підсилювачі DA2. Дільник R27R29 формує напругу
приблизно 2,5 В, яка подається на операційний підсилювач DA2, що виконує роль
буферного підсилювача.
Результати вимірів виводяться мікроконтролером на світлодіодні
семисегментні індикатори HG1-HG3 в динамічному режимі з періодичністю
близько 20 мс. Комутація анодів індикаторів здійснюється транзисторами VT1,
VT3, VT4, а на їх катоди сигнали у відповідному коді поступають з ліній PD0-PD6
через резистори R12-R18.
Живлення пристрою здійснюється від батареї, що складається з двох Ni-Cd
акумуляторів типорозміру АА із загальною напругою 2,4 В, яке перетворюється
конвертором DA1 до стабілізованого 5 В для живлення мікроконтролера DD1 і
джерела зразкової напруги на операційному підсилювачі DA2.
Для захисту мікроконтролера і інших елементів пристрою від напруги
зарядженого вимірюваного конденсатора застосований вузол активного захисту,
що складається з діодного моста VD6, транзистора VT2 і світлодіода HL1. При
підключенні зарядженого конденсатора, напруга на якому перевищує 4-5 В, через
світлодіод HL1 протікає струм, що відкриває транзистор VT1. В цьому випадку
велика частина напруги конденсатора прикладена до резисторів R3, R7, що
спричиняє розрядку конденсатора.
Як додатковий захист, лінії РВЗ мікроконтролера DD1 захищені діодами
VD3, VD4 та резистором R10, а лінії РВО - діодами VD1, VD2 та резистором R4.
Для програмування мікроконтролера до вилки ХР1 підключають програматор.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
33
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
4 Розрахунок основних елементів схеми
4.1 Розрахунок блоку живлення
Джерело напруги (рисунок 4.1) будується на мікросхемі К142ЕН5А,
діодному мосту RB157, та чотирьох конденсаторх (С11,С13 –
К50-16-16 В-220 мкФ, та С12,С14 – К10-17-25 В-0,1 мкФ).
DD1
VD1 U/U
LX OUT +5B
ХS1 C1 C2 C3 C4
GND
Рисунок 4.1 – Схема блоку живлення
Мікросхема К142ЕН5А являє собою стабілізатор напруги з фіксованою
вихідною напругою 5 В і захистом від перевантаження по струму. Електричні
параметри даної мікросхеми наступні [16]:
− вихідна напруга при Uвх = 10 В, Івих = 10 мА, Т = +25 ºС 5 ± 0,1В;
− струм споживання при Uвх = 15 В, Т = +25 ºС, не більше 10 мА;
− дрейф напруги (за 500 год.) при Uвх = 15 В, Івих = 0,5 А,
Т = +100 ºС, не більше 1,5%;
− коефіцієнт нестабільності по напрузі при Uвх = 10 В,
Івих = 10 мА, Т = -45 ÷ +85 ºС, не більше 0,05% / В;
− коефіцієнт нестабільності по струму при Т = +25 ºС,
не більше 1 % / А;
− температурний коефіцієнт напруги при Uвх = 10 В,
Івих = 10 мА, Т = -45 ÷ +85 ºС, не більше 0,02 % /ºС.
Застосування такої мікросхем дозволяє одержати необхідну напругу +5В
при вхідній напрузі від 6 В до 15 В. При живленні від зовнішнього джерела
застосування подібних мікросхем вигідно тим, що не потрібно високої точності
джерела напруги.
Зробимо розрахунок згладжуючого фільтра схеми.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 34
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
+
+
Вихідні дані: бажана вихідна напруга Uвих = 5 B, мінімальний випрямлений
струм Івих = 5 мА
Розраховуємо ємність конденсатора по формулі [18]:
25I
C 0
0 ≈ , (4.1)
U 0
де С0 – вхідна ємність фільтра, мкФ;
І0 – випрямлений струм, мА;
U0 – випрямлена напруга, В.
Підставляючи вихідні дані отримуємо:
C 25 ⋅5
0 ≈ = 25 мкФ
5
З ряду номінальних ємностей підбираємо ємність конденсаторів С1, С3.
Приймаємо ємність на порядок більшу і вибираємо конденсатори
К50-16-16 В-220 мкФ ± 10 %.
Для захисту мікросхеми від пікових стрибків вибираємо конденсатори С2
та С4 керамічними з ємністю 0,1 мкФ. Вибираємо конденсатори
К10-17-25 В-0,1 мкФ ± 10 %.
4.2 Розрахунок елементів кварцевого генератора
Кварцевий генератор сконструйований для паралельного режиму роботи
кварцевого резонатора (рисунок 4.2). Для правильної роботи кварцевого
генератора потрібні навантажувальні конденсатори. Значення навантажувальних
конденсаторів залежать від навантажувальної ємності резонатора CL,
обумовленою документацією на резонатор.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 35
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
OSC1
C2
ZQ1
C5
OSC2
Рисунок 4.2 – Схема підключення кварцевого резонатора
Загальна ємність конденсаторів підключених між виводами кварцевого
генератора повинна бути рівною навантажувальній ємності резонатора, і
визначається за формулою (4.2). Паразитна ємність визначається ємністю виводів
резонатора і ємністю друкованого монтажу. Звичайно загальне значення
паразитної ємності дорівнює 3-5 пФ. Схема підключення кварцевого резонатора й
навантажувальних конденсаторів показана на рисунку 4.2.
C 1
L = +C
1 1 пар (4.2)
+
C1 C2
Приймемо C1 рівним C2, тоді перетворюючи формулу 4.4 отримаємо:
C1 =C2 = 2 ⋅ (CL −Cпар )= 2 ⋅ (17 −3.5) = 27 пФ
Вибираємо найближчу ємність з ряду номінальних ємкостей [32] і
вибираємо конденсатори С2 і С5 К10-17-25В-68 пФ ± 10 ℅.
При необхідності підстроювання робочої частоти кварцевого генератора
паралельно C2 може бути підключений конденсатор, що підстроюється.
4.3 Вибір мікроконтролера
AT90S2313 - це мікроконтролер, що працює на основі AVR RISC
архітектури та має низьке енергоспоживання. Цей 8-бітний CMOS
мікроконтролер виконує більшість інструкцій за один тактовий сигнал,
наближаючись до продуктивності 1 MIPS на Мгц.
Основні характеристики AT90S2313 включають:
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 36
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
- 2 Кбайт Flash-пам'яті програм з підтримкою внутрішньосистемного
програмування.
- 128 байт EEPROM для зберігання даних.
- 15 програмованих ліній введення-виведення загального призначення.
- 32 робітники регістра загального призначення, що безпосередньо
підключені до АЛУ.
- Універсальні таймери/лічильники з різними режимами порівняння.
- Вбудовані та зовнішні переривання для обробки подій.
- Програмований USART для забезпечення послідовного зв'язку.
- Програмований WATCHDOG-таймер для контролю над системою.
- Два програмно вибирані режими економії енергії.
Мікроконтролер підтримує два режими енергозбереження:
1. Режим очікування "Idle Mode", який зупиняє CPU, але дозволяє
функціонувати SRAM, таймерам/лічильникам, SPI порту і системі переривань.
2. Режим економії енергії "Power Down", який зберігає значення регістрів,
але зупиняє тактовий генератор та інші функції мікроконтролера до
спрацьовування зовнішнього переривання або апаратної ініціалізації.
Ці характеристики роблять AT90S2313 відмінним вибором для
різноманітних застосувань, включаючи системи керування, вимірювальні
пристрої та інші автоматизовані системи..
4.4 Класифікація методів конструювання друкованої плати. Вимоги до
конструювання друкованих плат
Методи виготовлення одно- і двосторонніх ДП, гнучких ДП і гнучких
друкарських кабелів класифікують за принципом і методом отримання малюнка,
що проводить, і способу формування зображення малюнка ДП.
Відомі наступні методи отримання малюнка ДП, що проводить : хімічного,
що труїть(хімічний); механічного видалення пробільних ділянок із заготівлі ДП;
гравірування(фрезерування) лакованій заготовці ДП; адитивний;
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 37
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
напіваддитивний(електрохімічний); перенесення; вжигания струмопровідних паст
в термостійку основу; вакуумної металізації або катодного, що розпиляло :
шоопування; штампування; металізації за допомогою металевих порошків;
комбіновані.
Рисунок ДП, що проводить, можна отримати і іншими методами, зокрема,
за допомогою електрохімічної і електрофізичної обробки лакованої основи,
шляхом вибуху металевого дроту або впровадження металевих порошків на
поверхню вибуховою хвилею в спеціальних пристроях.
У виробництві ДП широко застосовують наступні способи формування
малюнка : фотографічний; офсетний(друкований); сіткографічний (трафаретного
або сітчастого друку; тиснення (пресування); штампування; ксерографія;
гравірування (фрезерування); малювання.
Конструювання ДП складається з наступних основних етапів: вивчення
технічного завдання на розробку приладу; визначення конфігурації і габаритних
розмірів ДП; визначення раціонального взаємного розташування навісних
елементів на ДП; трасування з'єднань на платі; перевірка малюнка ДП, що
проводить ; розробка нормативних документів.
Малюнок ДП, що проводить, розроблений в результаті трасування
з'єднань, повинен задовольняти наступним вимогам: відповідати принциповій
електричній схемі; усім конструктивним, технологічним і електричним вимогам;
забезпечувати нормальну роботу схеми за відповідних умов експлуатації і
зручність складально-монтажних і регулювальних робіт.
Вимоги до основних розмірів. Застосування плат великих розмірів і
складної геометричної форми не рекомендується із-за малої механічної міцності,
складнощі обробки і головним чином із-за виникнення значного викривлення, що
утворюється в процесі технологічного циклу виготовлення.
Основні розміри і крок координатної сітки повинні відповідати ГОСТ
10317: крок координатної сітки 2,5; 1,25; 0,5 мм; розмір кожної сторони ДП має
бути кратним 2,5 при довжині до 100 мм, 5 при довжині до 350 мм, 10 при
довжині більше 350 мм. Максимальний розмір будь-який із сторін має бути не
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. Лист 38
№ докум. Підпис Дата
більший 470 мм, а допуски на лінійні розміри сторін вибирають згідно СТ СЕВ
144. Співвідношення лінійних розмірів будь-хто сторін повинно бути не більший
3:1. Відхилення від прямокутності ДП не має бути більше 0,2 мм на 100 мм
довжини.
Товщина ОДП визначається завтовшки вибраного матеріалу.
Рекомендована товщина плат 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 мм. Граничні відхилення
сумарної товщини ОДП визначається допуском на товщину матеріалу плати і
допуском на товщину гальванічних покриттів.
Вимоги до розташування і розмірів отворів. Центри усіх отворів на ДП,
включаючи кріпильні, повинні розташовуватися у вузлах координатної сітки.
Розміри і конфігурацію кріпильних і інших конструктивних і
технологічних отворів необхідно вибирати по ГОСТ 11257 залежно від вимог до
конструкції і технології виготовлення виробу. Центри цих отворів рекомендується
також по можливості розташовувати у вузлах координатної сітки.
Шорсткість поверхонь монтажних неметалізованих отворів і торців ДП
повинна відповідати ГОСТ 2759 Rz ( 50, а для металізованих поверхонь Rz ( 40.
Металізовані отвори необхідно виготовляти без зенкерування.
При збільшенні площі контактних майданчиків збільшується якість паяних
з'єднань, зменшується можливість їх відриву від основи плати як при
виробництві, так і при експлуатації(сила зчеплення фольги з основою 25 - 30
кг/см2).
Вимоги до розмірів і розташуванні провідників. Важливим параметром для
друкарського провідника є його ширина, яка залежить від допустимої щільності
струму, допустимої температури нагріву при максимально допустимому
струмовому навантаженні, від товщини шару фольги, що дозволяє здібності
технологічного устаткування.
Внаслідок того, що друкарські провідники мають хороший тепловий
контакт з середовищем і діелектричною основою, вони витримують значну
велику щільність струму в порівнянню з об'ємними провідниками. Наприклад,
щільність струму миттєвого згорання для друкарського провідника, отриманого
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
39
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
таким, що труїть, складає 60 А/мм2, а для об'ємного мідного провідника - 15
А/мм2. Для найбільш поширених в промисловості фольгованих діелектриків
товщина фольги складає 35 і 50 мкм. При розрахунку відстані між провідниками
необхідно враховувати допустиму напруженість поля, яка дорівнює 1 кВ/мм.
Для запобігання утворенню залишків припою, рекомендується по
можливості витримувати проміжок 1 - 1,5 мм між провідниками, а також між
провідником і контактного майданчика.
При конструюванні ДП можливе використання навісних перемичок у разі
неможливості реалізації зв'язків схеми друкарськими провідниками, але кількість
цих перемичок не повинна перебільшувати 5 % від числа зв'язків.
4.5 Друкована плата. Початкові норми топологічного конструювання
Електрична принципова схема розроблена на мікроконтролері
Корпус мікросхеми - прямокутний пластмасовий типу 201.14-1.
Напруга живлення мікросхем (5 В. Максимальний струм, що протікає в
ланцюгах схеми, складає 0,2 А.
До теплонагружених елементів відносяться резистори серії МЛТ з
номінальною потужністю 0,125 Вт і змінний резистор СП5 з номінальною
потужністю 1 Вт.
Правило двох мінімумів є важливим принципом при топологічному
конструюванні друкованих плат. Воно вимагає досягнення мінімуму перетинів і
мінімуму довжини зв'язків. Мінімізація перетинів означає, що потрібно уникати
зайвих перехідних отворів, що зазвичай має пріоритет, оскільки сприяє
технологічності за рахунок мінімізації числа шарів та створює умови для
безвідмовної роботи.
При розміщенні елементів на платі і розташуванні контактів з'єднань
важливо враховувати електричну схему і розподіл контактів. Розміщення
проводиться з урахуванням геометричних та електричних обмежень.
Розрахунок граничної кількості корпусів ІС та інших елементів,
розташованих на платі, передує встановленню норм компактного розміщення. Ці
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
40
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
норми включають в себе розташування елементів рядами та формування контурів
посадкових місць. Посадкове місце включає в себе контур площі, займаної
елементом на платі, включаючи контактні майданчики під формовані виводи.
Загалом, правило двох мінімумів допомагає забезпечити ефективне та
надійне топологічне конструювання друкованих плат, що є важливим етапом у
розробці електронних пристроїв.
Правила щодо розміщення та визначення кількості місць для компонентів.
Процес топологічного проектування електронних пристроїв починається з
передварного розташування як незалежної процедури. Перед визначенням
максимальної кількості корпусів ІС та МС, які будуть розміщені на платі,
встановлюються стандарти компактного розташування. Ці стандарти виходять з
позицій ІС, МС та інших додаткових елементів, розташованих у ряди.
Особливості цих елементів піддаються аналізу. Площа, яку займає на платі
додатковий елемент, включаючи контактні зони для виведення, називається
посадковим місцем (див. Рисунок 4.3).)
Рисунок 4.3 - Розміщення ІС і корпусних МС на ДП: 1 - посадочне місце;
2 - межа зони розміщення;3 - крайове поле ДП
Робочий простір планового друкованого з'єднувального пристрою (ПДП),
або зона розташування контактних місць, розраховується як сума загальної площі
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
41
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
ПДП за виключенням площі крайової області - вільного простору вздовж
периметру ПДП, призначеного для технологічних цілей, не зайнятого малюнком
та підвісними елементами. Ширина крайової області - це відстань від краю ПДП
до краю першого ряду контактних місць. Крайова область визначається трьома
координатами: х - ширина межової зони по осі X (однакова зліва і справа від
ПДП); у1 - ширина крайової області для з'єднувача по осі Y (на нижньому краю
ПДП); у2 - ширина крайової області для розміщення контрольних отворів у
верхньому краю ПДП. Ширину крайової області х зліва і справа приймають
рівною: для вивідів зі штирями х = 5 мм, для планарних вивідів х = 2,5 мм.
Ширину крайової області по осі Y при відсутності контрольних отворів беруть
у2= 12,5 мм. Розрахунок кількості контактних місць виконується за допомогою
формул:
n = nx ⋅ ny . (4.3)
n Lx − 2x − l
= x
x + l . (4.4)
tx
Ly − (y1 + y2 )− l
n y
y = + l , (4.5)
ty
де _ - число посадочних місць при односторонньому розміщенні;
nx - число посадочних місць в одному ряду(округляється до цілого числа у
бік зменшення);
ny - число посадочних місць(округляється до цілого числа у бік
зменшення);
Lx , Ly - розміри ДП по осях X і Y;
tx , t y - крок установки по осях X і Y;
х - ширина крайового поля по осі Х;
y1, y2 - ширина крайового поля для з'єднувачів і контрольних гнізд.
Початкові дані і результати розрахунку топологічного конструювання
друкованої плати управління приведені в додатку Д.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 42
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
4.6 Розрахунок друкованої плати на віброміцність
В радіоелектронній і електронно-обчислювальній апаратурі плати
використовуються для розміщення на них інтегральних мікросхем (ІС) і ЕРЕ
різного виду і рівня, і їх комутації між собою, яка звичайно здійснюється з
допомогою печатного монтажу. Як правило, плати – це конструктивно закінчений
функціональний модуль, який називають іноді ячейкою. Каркасний варіант цього
модуля застосовують при підвищених вимогах до віброміцності і вібростійкості, а
також при використанні в модулі двох печатних плат і більше. В каркасних
конструкціях плат основою є металева рама, форми і розміри якої залежать від
конструкції модуля. Плату, на якій розміщують ІС і ЕРЕ, закріплюють на рамі
гвинтами або заклепками. В безкаркасній конструкції основою є друкована плата.
По конструктивному оформленню, в залежності від розміщення на платі ІС
і ЕРЕ, а також від виду електричного монтажу, ДП можуть бути односторонніми,
двохсторонніми або багатошаровими. Багатошарові печатні плати застосовують
при підвищенній щільності компоновки ІС і неможливості виконання коммутації
на одному рівні.
Форму ДП вибирають, як правило, прямокутну . Товщину ДП вибирають із
ряду 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 мм.
Для виготовлення ДП використовуються різні матеріали.
Вібрації - коливання з невеликою амплітудою (до 0,1 мм), які виникають за
рахунок неврівноваженості сил інерції і призводять до зниження довговічності та
надійності ЕОМ.
Вплив вібрації залежить від частоти, тривалості і амплітуди коливань. Під
впливом вібрації плата поводить себе як пружня пластина, яка наражається на
руйнування, особливо при резонансі. Таких відмов як обрив провідників,
руйнування паяних з’єднань, порушення контактів у з’днувачах можна уникнути
якщо частоти власних коливань плати та шасі будуть різними.Звичайно
f0 плати=2Fблоку, тобто повинна виконуватися умова « двох октав»- коли частота
власних коливань плати має бути більшою, ніж подвійна частота діапазону
вимушених коливань.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
43
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
При розрахунку на віброміцність за розрахункову схему також
приймається спрощена модель у вигляді прямокутної пластини з розмірами сторін
ахb постійної товщини h з різними видами закріплення по контуру. При
рівномірному навантаженні ДП по її поверхні ЕРЕ для всіх випадків закріплення
по контуру її власна частота в Гц буде:
f = 1 K D
⋅ ⋅ (4.6)
0 2⋅π α M
Так для більшості:
K
f 1 α D
= ⋅ ⋅ ⋅a⋅b (4.7)
0 2⋅π a2 M
де D - циліндрична жорсткість;
М- маса плати з елементами; а,в- довжини та ширина плати
відповідно;
значення коефіцієнта Кα обчислюєтся за формулою:
K =K ⋅ α β γ
+ + , (4.8)
α b2 b4
де коефіцієнти К, α, β, γ вибираються в залежності від методу закріплення
ДП за таблиці 4.1, в якій a, b - відповідно більший та менший розміри плати.
Таблиця 4.1 – Варіанти закріплення плат
Коефіцієнти
№ варі- Ескіз заготовки
анту k α β γ a, b, h, mm
mm mm
1 9,87 1 2 1 200 130 1,5
2 9,87 1 2,3 2,44 140 100 1,0
3
3 15,4 1 0,9 0,41 223 110 1,5
2 5
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
44
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Коефіцієнти
№ варі- Ескіз заготовки
анту k α β γ a, b, h, mm
mm mm
4 9,87 1 2,5 5,14 240 120 1,0
7
5 22,3 1 0,4 0,19 300 200 1,5
7 8
6 22,3 1 0,6 1 250 150 1,2
7 1
7 9,87 0 0 1 240 90 1,3
8 9,87 1 0 0 300 100 1,0
9 3,52 1 0 0 280 140 1,5
10 15,4 0 0 1 223 142 2,0
2
Значення ціліндричної жорсткості D визначають за формулою:
3
D E h , (4.9)
= ⋅
12⋅(1−µ2)
де h - товщина ДП, мм,
E - модуль пружності матеріалу плати, МПа,
µ - коефіцієнт Пуасона матеріалу ДП.
Тоді при частоті вібраціі Fв та значенні перевантаження n амплітуда А
коливань ДП в мм буде дорівнювати:
n
A=250⋅ (4.10)
Fв2
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
45
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Допустима амплитуда коливань печатних плат для стационарних ЕОМ -
0.11-0.13 мм.
Величина коефіцієнта динамічності, який показує у скільки разів
амплітуда вимушених коливань ДП на частоті F відрізняється від амплітуди на
частоті Fв, дорівнює:
K F F
=((1−( )2)2 +( )2 ⋅ε2)−1/2 , (4.11)
d Fв Fв
де ε - показник коливань, які загасають (для склотекстоліту при напругах,
близьких до допустимих, приймають ε = 0.06).
Динамічний прогин в геометричному центрі ДП в мм при її збудженні з
частотою F:
δd =Kd ⋅A (4.12)
Еквівалентно рівномірно розподілене по ДП динамічне навантаження, в
Н/м2 (Па):
δ ⋅D
P = d , (4.13)
d C1⋅b4
а максимальний розподілений згинальний момент, в Н, викликаний цим
навантаженням:
M =C2⋅P ⋅b2 (4.14)
max d
Коефіцієнти С1, С2 залежать від методу закріплення ДП.
При опиранні ДП по контуру для їх визначення використовують формули:
C1=0.00406+0.018⋅lg(a) (4.15)
b
C a
2=0.0479+0.18⋅lg( ) (4.16)
b
При затисненні пластини по контуру використовують формули:
C a
1=0.0012+0.041⋅lg( ) (4.17)
b
C a
2=0.0513+0.108⋅lg( ) (4.18)
b
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 46
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Максимальне динамічне навантаження згину ДП, в МПа
6⋅M
σ max (4.19)
max = 106 ⋅h2
Умова віброміцності ДП має вигляд:
σ = σ−1 , (4.20)
max [Nσ ]
де σ-1 - границя витривалості матеріалу ДП, БП;
Nσ - допустимий запас міцності.
4.7 Оцінка точності і надійності
Оцінка точності
В процесі розробки апаратури завжди намагаються досягти найбільшої
точності. Але враховуючи те, що прилад складається із реальних елементів, які
мають практичні точностні параметри, можна говорити про досягнену точність. Її
оцінюють за формулою:
n
δ 2
пр = ∑δ i , (4.21)
i=1
де δі – точність модуля приладу.
ПМТ являє собою прилад на одній друкованій платі з сучасними
електронними елементами. Отже точність приладу висока.
Похибка приладу становить δ пр = 0,1 % .
Так як допустима похибка приладу 1%, то в даному розрахунку приладу на
точність при його експлуатації задовольняє поставлену задачу у технічному
завданні. Таким чином, задана точність досягнена.
Оцінка надійності
В даному випадку розрахунку надійності приладу доцільніше підрахувати
кількість елементів одного типу та помножити на відсоток їх відмови, а потім
просумувати їх та знайти загальний відсоток відмови приладу.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 47
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Розрахунок на надійність був проведений з використанням ЕОМ.
Результати розрахунку приведені нижче.
Середній час безвідмовної роботи:
− для максимальної інтенсивності відмов 1.239387742E+05 годин;
− для середньої інтенсивності відмов 1.682227269E+05 годин;
− для мінімальної інтенсивності відмов 2.688894864E+05 годин;
− інтенсивність відмов ЕВА при середньому рівні інтенсивностей відмов
елементів 5.944500000E-06 1/год.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 48
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
5 Технологічний розділ
5.1 Аналіз на технологічність конструкції виробу
Технічна складність виробу включає в себе ряд характеристик його
конструкції, які визначають його придатність для досягнення оптимальних витрат
під час виробництва, експлуатації та обслуговування при визначених вимогах до
якості, обсягу виробництва та умов використання.
Виготовлення друкованих плат (згідно зі стандартом ГОСТ 20406-75)
може здійснюватися за допомогою хімічних, електрохімічних або комбінованих
методів. Недавно почали набирати популярності і нові методи виготовлення, такі
як адитивні.
Використання комбінованого підходу дозволяє виготовляти плати з
підвищеною щільністю монтажу. У цьому випадку в якості вихідного матеріалу
використовується склотекстоліт, обкладений дуже тонкою мідною фольгою
(товщина 5 мікрон). Мідна фольга захищається від можливих пошкоджень під час
зберігання, транспортування та свердління отворів за допомогою мідного або
алюмінієвого аркушного протектора товщиною 50-75 мікрон. Матеріал із мідним
протектором отримав назву "Слофадит", а з алюмінієвим - "СТПА". Після
свердління отворів у заготівці та хімічного міднення протектор відділяється від
поверхні фольги та складається в окремий контейнер для подальшої переробки на
підприємствах кольорової металургії як вторинна сировина. Заготовка піддається
гальванічній металізації та іншим обробкам:
А при негативному методі
● розрізання заготовок і хіміко-механічна підготовка поверхні;
● одержання захисного рисунка з негативу;
● травлення міді;
● видалення захисного рисунка;
● нанесення захисної лакової плівки;
● свердління і зенкування отворів;
● хімічне міднення;
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 49
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
● видалення лакової плівки;
● гальванічне міднення в два прийоми за допомогою рамкових
пристосувань;
● покриття сплавом Розе;
Б при позитивному методі
● розрізання заготовок і хіміко-механічна підготовка поверхні;
● одержання захисного рисунка;
● нанесення захисної лакової плівки;
● свердління і зенкування отворів;
● хімічне міднення;
● видалення лакової плівки;
● гальванічне міднення;
● гальванічне покриття сплавом олово-свинець;
● видалення захисного рисунка;
● травлення міді.
5.2 Розробка технологічного процесу
Комбінований спосіб являє собою сполучення хімічного та
електрохімічного способів. Вихідним матеріалом служить фольгований
діелектрик, тому рисунок одержують витравлюванням міді, а металізація отворів
виконується за допомогою хімічного міднення з наступним електрохімічним
нарощенням шару міді. Цей метод в теперішній час є основним у виробництві
багатошарових друкованих плат (БДП).
У залежності від методу захисту провідного рисунка при витравлюванні
міді комбінований спосіб може здійснюватися в двох варіантах: негативному,
коли захистом від витравлювання служать фарба чи фоторезист, і позитивному,
коли захисним шаром служить металеве покриття (металорезист). Назву ці
способи одержали від фотошаблона, застосовуваного при створенні захисного
рельєфу: у першому випадку при експонуванні рисунка використовується негатив
друкованої схеми, у другому – позитив. Комбінований метод виготовлення
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 50
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
друкованих плат застосовується великою кількістю підприємств із
дрібносерійним виробництвом.
Негативний комбінований спосіб має наступні недоліки:
1. При свердленні отворів на виході свердла утворяться гусениці і
створюються зусилля, спрямовані на відрив контактної площадки.
2. У результаті витравлювання міді на початку процесу діелектрик
залишається не захищеним для впливу агресивних гальванічних розчинів і
активних флюсів (НСl) при покритті сплавом Розе. З цієї причини опір ізоляції
готових плат на порядок нижчий, ніж при позитивному процесі.
3. У зв’язку з тим, що гальванічна металізація відбувається в
пристосуваннях, що закриває отвори з одного боку, товщина шару металу в отворі
дуже нерівномірна, часто мають місце випадки відшаровуванні металу при
перепаюванні деталей.
4. Операція покриття сплавом Розе токсична.
Недоліком позитивного. способу є нестійкість фоторезистів на основі
полівінілового спирту при виконанні дворазової гальванічної обробки, що
створює великі труднощі у виробництві (зачищення, ретуш, і т.п.).
Технологічний процес виготовлення ДП комбінованим способом
приведений в табл. 5.1
До недоліків обох методів можна віднести наступне:
1. Розрив технологічного процесу чкрез застосування ручноїоперації
покриття лаком, що вимагає високої кваліфікації маляра.
2. Свердління через лакову плівку, погіршення стійкість свердла.
Негативний спосіб легше освоюється через знижені вимоги до стійкості
фоторезисту і можливості травлення в будь-яких розчинах (у тому числі FeCl3) ,
позитивний – забезпечує більш високу щільність монтажу і кращі діелектричні
властивості плат, а також дозволяє автоматизувати окремі операції.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 51
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Таблиця 5.1 – Технологічний процес виготовлення ДП комбінованим
способом
№ Операція
операції Негативний метод Позитивний метод
1 Розрізання заготовок і хіміко- Розрізання заготовок і хіміко-
механічна підготовка поверхні механічна підготовка поверхні
2 Одержання захисного рисунка з Одержання захисного рисунка
негативу
3 Травлення міді Нанесення захисної лакової
плівки
4 Видалення захисного рисунка Свердління і зенкування отворів
5 Нанесення захисної лакової Хімічне міднення
6 плівки
Свердління і зенкування отворів Видалення лакової плівки
7 Хімічне міднення Гальванічне міднення
8 Видалення лакової плівки Гальванічне покриття сплавом
9 Гальванічне міднення в два олово-свинець
прийоми за допомогою рамкових Видалення захисного рисунка
пристосувань
10 Покриття сплавом Розе Травлення міді
5.3 Розрахунок розмірів заготовки
Заготовку потрібно отримати вирубкою або відрізкою на роликових чи
гільйотинних ножицях. Стандарт нормує ширину технологічного поля для
односторонніх друкованих плат (ОДП) і двосторонніх друкованих плат (ДДП) –
до 10мм, для БДП – 30мм.
Розміри заготовки (Аз) потрібно визначати по формулі:
Аз = Ап + 2∙Н, (5.1)
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 52
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
де Ап – довжина чи ширина ДП що обробляється відповідно робочого
креслення, мм;
Н – ширина технологічного поля, мм.
Довжина ДП що обробляється відповідно робочого креслення Ап = 100 мм,
а ширина технологічного поля Н = 10 мм.
Аз=120+2ּ10=240 мм.
5.4 Вибір матеріалу
Таблиця 5.2 – Матеріал для виготовлення ОДП та БДП.
Спосіб Найменування ГОСТ Товщина
виготов- Марка
матеріалу ТУ матеріалу,
лення мм
Склотекстоліт СФ-1-35 СФ- ГОСТ 10316-78 0,5 – 3.0
фольгований 1-50 СФ-1Н-
50 СФ-1Н-
Діелектрик фольгований ФДГ -1 ТУ16-503.141-74 0,5 – 3,0
гальваностійкий ФДГ-2
Фольгований гетинакс ГОФ-1-35Г ТУ16-503.195-80 1,0 – 3,0
загального призначення ГОФ-2-35Г 1,0 – 3,0
ГОФВ-1-35Г
З табл.5.2 вибирається матеріал CФ-1-35 (ГОСТ-10316-78) з товщиною
1,5 мм.
5.5 Розрахунок часу на виготовлення одної плати
Тшт = Топ ·(1+k/100), (5.2)
де Топ – оперативний час;
k – коефіцієнт часу на організацію технологічного обслуговування
робочого місця, в %.
Розрахунок Топ для одночасної обробки 12 плат приведений в табл. 5.3
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 53
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Хімічний і комбінований
Таблиця 5.3 – Розрахунок Топ для одночасної обробки 12 плат
№
Операція Час Т, хв.
операції
1 Підготовча операція 0,5
2 Зачищення поверхні 0,32
3 Обезжирення плати 0,11
4 Нанесення світлочутливого шару 0,027
5 Експонування 0,24
6 Проявлення зображення 0,30
7 Нанесення лаку 0,12
8 Свердління отворів 0,11
9 Хімічне міднення 0,43
10 Видалення захисної плівки 0,5
11 Електрохімічне міднення 0,83
12 Обезжирення у віброустановці 0,09
13 Нанесення флюсу 0,12
14 Промивання 0,378
15 Сушіння 1,43
16 Контроль 0,12
всього 5,625
Топ = 5,625 хв.
Вибір і розрахунок k приведений в табл. 5.4
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. Лист 54
№ докум. Підпис Дата
Таблиця 5.4 – Вибір і розрахунок k
Найменування елементів витрат робочого часу – k в % від Топ
Розкладання регулювання промивка інструментів на початку і в
0,6
кінці зміни
Підготовка матеріалу протягом зміни 0,4
Прибирання робочого місця протягом зміни а також по її
1
закінченні
Відпочинок і особисті потреби 4,8
всього 6,8
З врахуванням фізичної зарядки (один перерив на 10 хв.) 2,5
всього 9,3
Тшт = Топ·(1 + k/100) = 5,625·(1 + 9,3/100) = 6,15 хв.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 55
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
6 Спеціальний розділ
6.1 Економічне обґрунтування розробки
Ємнісний перетворювач рівня рідини є важливим елементом в
автоматичних системах керування, який використовується для точного
вимірювання рівня рідини в резервуарах, трубопроводах та інших ємностях.
Впровадження цього перетворювача може значно підвищити ефективність і
безпеку виробничих процесів. Це економічне обґрунтування розглядає витрати та
вигоди від впровадження ємнісного перетворювача рівня рідини в автоматичні
системи керування.
Витрати на впровадження
1. Придбання обладнання:
• Вартість самого ємнісного перетворювача залежить від його
специфікацій і виробника. В середньому ціна коливається від $500 до $2000 за
одиницю.
2. Інсталяція та налаштування:
• Витрати на монтаж і налаштування можуть включати оплату праці
інженерів, які виконують установку. Це може додати ще $200-$500 до загальних
витрат на кожен перетворювач.
3. Навчання персоналу:
• Навчання персоналу роботі з новим обладнанням може коштувати
приблизно $100-$300 на одного працівника залежно від складності системи.
Очікувані вигоди
1. Підвищення точності вимірювань:
• Ємнісні перетворювачі забезпечують високу точність вимірювання
рівня рідини, що мінімізує ймовірність помилок та перевитрат ресурсів. Це
дозволяє зменшити втрати продукту на 2-5%, що може економити підприємству
до $10,000 на рік залежно від масштабу виробництва.
2. Зниження експлуатаційних витрат:
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 56
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
• Використання автоматизованих систем керування з ємнісними
перетворювачами дозволяє знизити витрати на технічне обслуговування завдяки
їх надійності та тривалому терміну служби. Це може скоротити витрати на
обслуговування до 20%.
3. Підвищення безпеки:
• Точний контроль рівня рідини зменшує ризик аварійних ситуацій,
пов’язаних з переливом або недоливом рідин, що забезпечує безпеку працівників
та зменшує витрати на відновлення після аварій.
4. Енергоефективність:
• Сучасні ємнісні перетворювачі споживають менше енергії порівняно з
іншими методами вимірювання рівня, що зменшує витрати на енергію.
Висновок
Впровадження ємнісного перетворювача рівня рідини в автоматичні
системи керування є економічно вигідним рішенням. Початкові витрати на
обладнання, монтаж і навчання персоналу окупаються за рахунок підвищення
точності вимірювань, зниження експлуатаційних витрат, покращення безпеки та
енергоефективності. Очікуваний термін окупності може складати від 1 до 3 років
залежно від специфіки виробництва та обсягів використання рідин. Таким чином,
це інвестиція, що сприяє довгостроковій економії коштів та підвищенню
продуктивності підприємства.
6.2 Охорона праці
Аналіз небезпек та шкідливостей, які виникають при виконанні робіт
в приміщенні науково-технічного відділу
В даному розділі бакалаврської роботи розглядаються потенційно шкідливі
та небезпечні виробничі фактори при проведенні моделювання процесів в
автоматичних системах керування. Моделювання проводиться в приміщенні
науково-технічного відділу. В процесі роботи застосовується ПК для розробок
структурних, функціональних, принципових схем, а також документації.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 57
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
До основних шкідливих і небезпечних факторів, що впливають на
працівників відділу відносять: недостатню освітленість робочої зони; небезпеку
ураження електричним струмом; незадовільні параметри мікроклімату робочої
зон; підвищений рівень шуму на робочому місці тощо.
Розміри приміщення відділу становлять: ширина – 6 м, довжина – 9,6 м,
висота стелі – 3 м, відповідно площа становить 57,6 м2. Приміщення розраховане
на максимальну кількість працюючих - 5 осіб. Звідси площа, яка припадає на одну
людину дорівнює 11,52 м2. Об’єм приміщення становить 172,8 м3. Звідси об'єм,
який припадає на одну людину, дорівнює 34,5 м3, що відповідає вимогам ДБН
В.2.2.28-2010.
В науково-технічному відділу використовують комбіноване освітлення.
Природне освітлення приміщення утворюється боковим світлом через віконні
отвори в зовнішніх стінах, а штучне освітлення забезпечується використанням
світильників з люмінесцентними лампами, також на робочих місцях працівників є
місцеве освітлення з використанням світильників з лампами розжарювання
потужністю по 36 Вт кожна. Також у відділу передбачено аварійне освітлення,
яке використовують для продовження роботи при аварійному відключенню
робочої напруги та для евакуації людей з приміщень при аварійному
відключенню робочого освітлення.
В якості джерела світла використовуються люмінесцентні лампи, в
кількості 48 од, розміщених в 12 світильниках Arctic 436SAN/SMC , навішеними
на стелі в 4 ряди. Розряд зорової праці працівників відділу – ІІ, підрозряд – в.
Контраст відмінності об’єкту з фоном - середній. Згідно з нормами проектування
ДБН В.2.5-28-2018 нормування природного освітлення проводиться за допомогою
коефіцієнта природного освітлення (КПО), вираженого в відсотках, який для
даного типу зорової праці складає 1,5 %. Фактичне значення КПО на робочому
місці становить 32-35 %. Тому рівень природного освітлення є достатнім.
Фактичний рівень штучного освітлення на робочих місцях працівників відділу
становить 420-440 лк, що повністю відповідає вимогам ДБН В.2.5.28-2018 для ІІ
розряду зорової праці.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. 58
Лист № докум. Підпис Дата
Основні складові стану повітряного середовища - це параметри
мікроклімату та ступінь забруднення повітря шкідливими речовинами.
Рівень фізичних навантажень працівників науково-технічного відділу
відноситься до категорії II б, тому що робота пов'язана з ходінням, переміщенням
невеликих (до 10 кг) вантажів та супроводжується помірним фізичним
напруженням. Витрата енергії становить 233-290 Вт, (201-250 ккал/год.).
Мікроклімат робочої зони працівників характеризується: температурою повітря,
швидкістю його руху та вологістю. Фактори мікроклімату в робочому приміщенні
мають дуже важливе значення, оскільки вони безпосередньо впливають на
здоров’я та самопочуття співробітника.
Згідно з ДСН 3.3.6.042-99 нормативні значення основних факторів
мікроклімату приведені нижче.
1. Температура повітря:
- в теплий період року – 21-23°С (допустима – 17-27°С) ;
- в холодний період року – 17-19°С (допустима – 13-21°С).
2. Вологість повітря:
- в теплий період року – 40-60 %;
- в холодний період року – 40-60 %.
3. Швидкість руху повітря:
- в теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1-0,2 м/с) ;
- в холодний період року – 0,1 м/с (допустима – ≤0,1 м/с) .
Фактичні значення даних параметрів становлять відповідно:
1. Температури повітря:
- в теплий період року – 22-24 °С ;
- в холодний період року –15-17 °С .
2. Вологість повітря:
- в теплий період року – 52-54 %;
- в холодний період року – 54-58 %.
3. Швидкість руху повітря:
- в теплий період року – 0,05-0,1 м/с;
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 59
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
- в холодний період року – 0,1-0,15 м/с.
Фактичні параметри мікроклімату в холодний період року не відповідають
нормативним вимогам згідно ДСН 3.3.6.042-99. Тому необхідно провести заходи
щодо нормалізації параметрів мікроклімату в приміщенні відділу.
Основним документом, що регламентує рівень вібрації на робочих місцях,
є ДСН 3.3.6.039-99. У науково-технічному відділі не допускаються навіть
мінімальні вібрації, тому що це може вплинути на точність вимірювань, що в
ньому проводяться. Для зменшення вібрацій все обладнання встановлене на
гумові килимки. Нормативне значення рівня вібрацій на робочих місцях при
даному видові діяльності та типу робочого місця складає 75 дБА. Фактичне
значення становить 5-7 дБА, що практично не відчувається. Відповідно до цього
дане робоче місце відповідає допустимим вимогам по даному фактору згідно ДСН
3.3.6.039-99.
У науково-технічному відділі нормативне значення еквівалентного рівня
шуму при даному видові діяльності та типу робочого місця складає 60 дБА, а
рівень фактичного шуму становить 37-42 дБА, що відповідає нормативному
значенню згідно ДСН 3.3.6.037-99. Тому, фактичне значення шуму не перевищує
допустиме, а отже негативно не впливає на працівників.
Приміщення відноситься до 3 класу приміщень: приміщення без
підвищеної небезпеки ураження людини електричним струмом, оскільки в ньому
відсутні фактори, що створюють підвищену небезпеку (ПУЕ-17). Обладнання,
встановлене в ньому живиться напругою 220 В і споживає потужність менше ніж
2500 Вт. Деяке обладнання, зокрема вимірювальні прилади, системний блок ПК,
мають металевий корпус, тому згідно ДСТУ Б В.2.5-82-2016 в лабораторії
передбачені заходи захисту працівників від ураження електричним струмом –
заземлення типу TN-C-S.
Під час роботи з електрообладнанням працівник зобов'язаний виконувати
ряд правил, а саме:
- при раптовому припиненні подачі електроструму потрібно негайно
вимкнути електрообладнання;
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
60
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
- категорично забороняється ремонтувати електрообладнання, вмикати та
вимикати його, якщо це не передбачено в ході роботи;
- категорично забороняється проводити будь-які перемикання на
головному розподільному щиті;
- не знімати запобіжні кожухи;
- у випадку виявлення неполагодженого електрообладнання,
вимірювальних приладів і дротів, терміново вимкнути напругу;
- прилади керування та вимірювальні прилади слід розміщувати таким
чином, щоб було зручно проводити вимірювання, не перегинаючись через
прилади та провідники;
- у випадку враження електричним струмом слід терміново звільнити
потерпілого від дії струму і прийняти міри по наданню першої допомоги, при
необхідності викликати лікаря.
Приміщення за вибухопожежонебезпекою відноситься до приміщень типу
В, згідно з ДСТУ Б В.1.1.36:2016. В даному відділу забезпечуються необхідні
заходи щодо протидії виникнення пожежонебезпечних ситуацій згідно з НАПБ
А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки в Україні».
Основними причинами пожежі в науково-технічному відділі можуть бути
несправність електрообладнання або паління працівників в ньому. Такі
несправності можуть виникнути, наприклад, через перегрівання внаслідок
надмірної запиленості корпусу ПК. Повітря робочої зони містить відносно малу
кількість вологи і пилу, що понижує ризик загоряння. Найбільш допустима площа
поверху між протипожежними стінами споруди не обмежується.
Для своєчасного інформування про пожежу та забезпечення всіх заходів
щодо протидії виникнення пожежонебезпечних ситуацій, згідно з НАПБ
А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки в Україні» у приміщенні встановлено
систему пожежної сигналізації Simplex та димові оповіщувач ДИП-46 (ДБН
В.2.5.56-2014). На стінах кімнати розташовано схеми евакуації у разі виникнення
пожежі (згідно ДНБ В.1.1.7-2016). Пожежні евакуаційні виходи пронумеровані і
підписані. В будівлі у зручному і помітному місці вивішено вказівки з номером
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
61
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
телефону, за яким дзвонити у разі пожежі. Сходи для евакуації розташовані в
сходових клітках з боковим природнім освітленням. Двері відчиняються по
направленню виходу з будівлі. Приміщення обладнане вуглекислотним
вогнегасником ВВК-3,5, який закріплений у підставці на стіні поряд з дверима,
відповідно до Правил експлуатації та типових норм належності вогнегасників.
Всі працівники відділу проходять періодичні медичні огляди: попередній –
при влаштуванні на роботу і періодичний – протягом трудової діяльності.
Періодичні медичні огляди проводяться один раз на два роки (згідно наказу МОЗ
від 21.05.2007 №246).
З усіма працівниками перед допуском до роботи проводять вступний та
первинний інструктажі згідно типового положення про навчання з питань
охорони праці (ДНАОП 0.00-4.12-05). Перевірка здійснюється згідно
затвердженого переліку запитань.
Вступний інструктаж з питань охорони праці проводиться з усіма
працівниками, які щойно прийняті на роботу (постійну або тимчасову) незалежно
від їх освіти, стажу роботи за цією професією або посади. Первинний інструктаж
проводиться з працівниками на робочому місці до початку роботи. Запис про
проведення інструктажу робиться у спеціальному журналі. Повторний інструктаж
проводиться на робочому місці з усіма працівниками: на роботах з підвищеною
небезпекою – 1 раз у квартал, на інших роботах – 1 раз на півріччя.
Після проведення аналізу умов праці робітників науково-технічного
відділу можна зробити висновок, що всі фактори роботи в даному приміщенні
являються сприятливими, окрім температури повітря в холодний період року.
Тому пропонується замінити систему опалення, щоб параметри мікроклімату
відділу відповідали нормам ДСН 3.3.6.042–99 та використовувати зволожувачі
повітря для підтримки комфортного рівня вологості повітря.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
62
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Засоби нормалізації параметрів мікроклімату в приміщенні науково-
технічного відділу
Нормалізація параметрів мікроклімату здійснюється за допомогою
комплексу заходів та засобів колективного захисту, які включають будівельно-
планувальні, організаційно-технологічні, санітарно-гігієнічні, технічні та ін. Для
профілактики перегрівань та переохолоджень робітників використовують засоби
індивідуального захисту.
Розглянемо основні заходи та засоби нормалізації параметрів
мікроклімату, які використовуються на виробництві: удосконалення
технологічних процесів та устаткування, раціональне розміщення технологічного
устаткування, автоматизація та дистанційне керування технологічними
процесами, раціональна вентиляція, опалення та кондиціонування повітря,
раціоналізація режимів праці та відпочинку, застосування теплоізоляції
устаткування та захисних екранів.
Системи опалення являють собою комплекс елементів, необхідних для
нагрівання приміщень в холодний період року. До основних елементів систем
опалення належать джерела тепла, теплопроводи, нагрівальні прилади.
Теплоносіями можуть бути нагріта вода, пара чи повітря.
Класифікація системи опалення: за взаємним розташуванням основних
елементів систем опалення (місцеві та центральні), за видом теплоносія
центральні системи опалення (водяні, парові, комбіновані), за засобом циркуляції
центральні та місцеві системи водяного та повітряного опалення (системи з
природною циркуляцією за рахунок різниці густини холодного і гарячого
теплоносія; системи з примусовою циркуляцією за рахунок роботи насоса), за
параметрами теплоносія центральні системи водяного та парового опалення
(водяні низькотемпературні (до 100 °C); водяні високотемпературні (від 100 °C);
парові низького тиску (до 0,17 МПа); парові високого тиску (0,17–0,3 МПа)).
До місцевого відноситься пічне та повітряне опалення, а також опалення
місцевими газовими та електричними пристроями. Місцеве опалення
застосовується, як правило, в житлових та побутових приміщеннях, а також в
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. Лист 63
№ докум. Підпис Дата
невеликих виробничих приміщеннях малих підприємств. Такі види систем
опалення будівель не вимагають великих витрат для встановлення або ремонту,
до того ж, можуть забезпечити максимальний комфорт.
До систем центрального опалення відносяться: водяне, парове панельне,
повітряне, комбіноване.
Водяна та парова системи опалення в залежності від тиску пари чи
температури води можуть бути низького тиску (тиск пари до 70 кПа чи
температура води до 100 °С) та високого тиску (тиск пари більше 70 кПа чи
температура води понад 100 °С).
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 його
замерзання при відключенні в зимовий період, а також повільне нагрівання
великих приміщень після тривалої перерви в опаленні.
Парове опалення має ряд санітарно-гігієнічних недоліків. Зокрема,
внаслідок перегрівання повітря знижується його відносна вологість, а органічний
пил, що осідає на нагрівальних приладах, підгорає, викликаючи запах гару. Окрім
того, існує небезпека пожеж та опіків. Враховуючи вищевказані недоліки не
допускається застосування парового опалення в пожежонебезпечних
приміщеннях та приміщеннях зі значним виділенням органічного пилу.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
64
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Панельне опалення доцільно застосовувати в адміністративно-побутових
приміщеннях. Воно діє завдяки віддачі тепла від будівельних конструкцій, в яких
вмонтовані спеціальні нагрівальні прилади (труби, по яких циркулює вода) або
електронагрівальні елементи. До переваг цієї системи опалення належать:
рівномірний нагрів та постійність температури і вологості повітря в приміщенні;
економія виробничої площі за рахунок відсутності нагрівальних приладів;
можливість використання в літній період для охолодження приміщень,
пропускаючи холодну воду через систему. Основні недоліки – відносно високі
початкові витрати при встановленні та важкість ремонту при експлуатації.
Повітряне опалення може бути центральним (з подачею нагрітого повітря
від єдиного джерела тепла) та місцевим (з подачею теплого повітря від місцевих
нагрівальних приладів).
Основні переваги цієї системи опалення:
- швидкий тепловий ефект в приміщенні при включенні системи;
- відсутність в приміщенні нагрівальних приладів;
- можливість використання в літній період для охолодження та вентиляції
приміщень;
- економічність, особливо, якщо це опалення суміщене із загально
обмінною вентиляцією.
Порівняльна характеристика водяного і повітряного опалення наведена в
таблиці 6.1.
При виборі системи опалення підприємств, що проектуються чи
реконструюються необхідно враховувати санітарно-гігієнічні, виробничі,
експлуатаційні та економічні чинники.
Слід зазначити, що досить ефективною є комбінована система опалення
(центральне повітряне опалення, суміщене із загально обмінною вентиляцією та
водяне низького тиску).
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. Лист № докум. Підпис 65
Дата
Таблиця 6.1 – Порівняльна характеристика водяного і повітряного
опалення
Водяне Повітряне
Найменування
опалення опалення
Гарантія 2 роки 5 років
Термін служби 10-15 років 25-40 років
Час нагріву на 10 °С 6 год 30 хв.
Експлуатаційні витрати 100% 70%
Можливість замерзання системи Так Ні
Втрата теплоносія Так Ні
Вентиляція Ні Так
Зволоження Ні Так
Очищення повітря Ні Так
Клімат-контроль Ні Так
Можливість зонального керування
Ні Так
(по кімнатах)
В науково-технічному відділі пропонується використати радіатор
RADIMIR (рис.6.1) в кількості – 3 штук. Основні характеристики: матеріал -
сталь; підведення води - бічне; тип радіатора - 22; теплова потужність – 1805 Вт;
робочий тиск – 10 атм; обігрів – 18 м2; розмір - 50x90 см; вага – 23 кг; колір -
білий; країна виробник - Туреччина.
Для підтримання нормативного рівня вологості повітря в приміщенні
відділу пропонується використати зволожувачі повітря.
Зволожувачі повітря призначені для підтримки комфортного рівня
вологості повітря в приміщенні. Таке поняття як вологість визначає рівень
кількості води в повітрі при оптимальній температурі.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 66
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Рисунок 6.1 – Сталевий панельний радіатор RADIMIR 22
Вологість, при якій людина відчуває себе найбільш комфортно влітку – це
60-75%, взимку це 55-70%. У приміщеннях навесні і влітку (у суху погоду)
вологість не перевищує 0%, а восени і взимку, в опалювальний період, вона падає
до 25-30%. Підвищена вологість визначається максимальною кількістю води, яке
може міститися в насиченому повітрі при тій же температурі. Зволожувачі повітря
призначені для роботи в одному замкнутому приміщенні. Вони не вимагають
спеціального монтажу: все, що потрібно зробити - це залити воду в бачок і
включити зволожувач в розетку. Зволожувачі повітря здатні вирішити питання
більш комфортного перебування в приміщенні.
Для вибору зволожувача необхідно знати три основні складові:
1) об’єм приміщення;
2) якість води (та вода, яку ви будете заливати в зволожувач);
3) умови, в яких буде експлуатуватися зволожувач.
Типи і характеристики зволожувачів:
1. «Холодні» зволожувачі (рис. 7.2), в яких встановлений вологий фільтр
(зволожуючий картридж), в результаті чого повітря незначно остигає (при
випаровуванні вода поглинає тепло) і зволожується. Продуктивність «холодних»
зволожувачів повітря сильно залежить від вологості повітря - чим вище вологість,
тим нижче швидкість випаровування. «Холодні» зволожувачі повітря повинні
працювати на демінералізованій (дистильованій) воді, інакше зволожуючий
картридж буде швидко засмітяться і його доведеться часто змінювати. Якщо такої
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. Лист 67
№ докум. Підпис Дата
можливості немає, то необхідно використовувати додатковий пом'якшуючий
картридж, що зменшує твердість води. Продуктивність «холодних» зволожувачів
повітря 35 - 38 літрів/добу при споживаній потужності 20 – 50 Вт.
Переваги «холодних» зволожувачів: не вимагають використання гігростата:
принцип саморегулювання; візуально не видно роботу зволожувача (пар не
виходить); якщо закінчиться вода, то вентилятор зволожувача буде продовжувати
працювати, вологість при цьому підтримуватися вже не буде, на термін служби
самого зволожувача це ніяк не вплине.
Недоліки «холодних» зволожувачів: не може підняти вологість більше 60%;
зволожуючий фільтр, термін служби якого становить близько 3 місяців.
Рисунок 6.2 – Конструкція «холодного» зволожувача повітря
2. Парові зволожувачі повітря (рис. 6.3) за принципом дії дуже схожі на
електричні чайники - для інтенсивного випаровування воду доводять до кипіння.
Парові зволожувачі повітря повинні обов'язково мати гігростат (датчик вологості
повітря), що відключає прилад при досягненні заданої вологості, інакше вологість
повітря в приміщенні може істотно перевищити оптимальний рівень. У
порівнянні з «холодними» і ультразвуковими зволожувачами, парові мають один
недолік - велику споживану потужність. Продуктивність парових зволожувачів 7 -
16 літрів/добу при споживаній потужності 300 - 600 Вт.
Переваги парових зволожувачів повітря: незалежно від якості води, пара
на виході завжди буде ідеально чистою; найбільша продуктивність у порівнянні з
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 68
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
усіма іншими зволожувачами (700 грамів рідини в годину); відсутні витратні
матеріали (картриджі, фільтри); у разі якщо вода в приладі закінчиться, то він
автоматично відключиться від мережі живлення; є індикатор кількості води, що
залишилася; може збільшити вологість більш ніж на 60%.
Недоліки парових зволожувачів повітря: відсутність вбудованого
гігростату (прилад підтримує задану вологість), його необхідно купувати окремо;
споживає більше електроенергії, ніж зволожувачі інших типів.
Рисунок 6.3 – Конструкція парового зволожувача повітря
Ультразвукові зволожувачі повітря (рис. 6.4) – найбільш досконалий і
популярний тип. Вони мають невеликі габарити, малу споживану потужність і
високу продуктивність. В ультразвукових зволожувачах повітря використовується
властивість п'єзоелектрика перетворювати електричні коливання в механічні. На
занурений у воду п'єзоелектричний кристал подається високочастотна
(ультразвукової частоти) напруга, перетворюючи в механічну вібрацію. У
водяному шарі утворюються чергування хвилі підвищеного і зниженого тиску. В
областях зниженого тиску відбувається скипання рідини при звичайній кімнатній
температурі (кавітація) з викидом у повітря дрібнодисперсних часток. Потік
повітря, що створюється вентилятором, подає водяну суспензію в приміщення, де
вона переходить в пароподібний стан.
Продуктивність ультразвукових зволожувачів повітря 7-12 л/добу при
споживаній потужності 40 – 50 Вт.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 69
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Переваги ультразвукових зволожувачів: невеликі габарити зволожувача;
обертовий розпилювач дозволяє направити пару в будь-яку сторону; може
збільшити вологість більш ніж на 60%; при закінченні води в бачку зволожувач
автоматично відключиться.
Недоліки ультразвукових зволожувачів: при використанні занадто
жорсткої води термін служби фільтра може зменшитися, що призведе до
випадання білого нальоту на меблях, стінах і т.п.
Рисунок 6.4 – Конструкція ультразвукового розпилювача повітря
В науково-технічному відділі пропонується використати зволожувач
повітря AIR-O-SWISS U650 White (рис. 6.5) з наступними характеристиками:
- тип – ультразвуковий;
- основна функція – зволоження;
- площа обслуговування - 60 кв. м;
- споживана потужність – 140 Вт;
- ємність резервуара для води - 5,5 л;
- продуктивність – 550 мл/год;
- тип управління – сенсорний;
- гігростат (регулювання вологості) – є;
- таймер – є;
- напруга: - 220 В;
- частота струму – 50 Гц;
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 70
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
- рівень шуму: менше 25дБ;
- таймер - 8 год;
- холодний і теплий пар;
- індикатор низького рівня води;
- розміри - 35,5х28х24см,
- вага - 4 кг.
Рисунок 6.5 - Зволожувач повітря AIR-O-SWISS U650 White
Принцип роботи ультразвукового зволожувача Air-O-Swiss U600
Зволоження повітря відбувається наступним способом: вода потрапляє на
спеціальну мембрану з високою частотою вібрації, яка розбиває її на дрібні
краплі, утворюючи «парову хмару». Вентилятор направляє потік сухого повітря
на утворену «хмару» для його зволоження та нормалізації показників вологості в
приміщенні. Апарат володіє високою продуктивністю (550 гр. рідини/год),
завдяки чому можна зволожити повітря в приміщенні протягом короткого часу.
Коли в резервуарі вода на межі, індикатор низького рівня рідини відображає
інформацію про це на панелі управління.
Знезараження води
В апараті Air-O-Swiss U600 встановлений пластиковий змінний картридж,
одним з компонентів якого є AG+ (частки активний сполук срібла). Цей AG+
картридж знезаражує воду, знищуючи хвороботворні мікроорганізми, а також
перешкоджає осіданню солей, що містяться у водопровідній воді, та утворення
білого нальоту на меблях і стінах приміщення.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ 71
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
Пристрій працює в двох режимах: утворення «холодної» і «теплої» пари.
Перед утворенням «теплої» пари вода попередньо нагрівається до 80 С, що сприяє
її додатковому знезараженню.
Технологія іонізуючого срібний стрижень Ionic Silver Stick (ISS)
Застосування технології іонізуючого срібного стрижня (Ionic Silver Stick
(ISS) дозволяє повністю знезаразити воду, знищивши всі патогенні бактерії,
віруси і грибки. Дана опція є додатковою і встановлюється за бажанням.
Особливості експлуатації
Пристрій потребує заміни змінного картриджа з іонообмінної смолою
кожні 2-4 місяці. Наявність вбудованого гідростату, зручного двошарового
розпилювача і регулятора потужності дозволяє контролювати напрям і
насиченість пари.
Після проведення аналізу умов праці робітників науково-технічного
відділу та заходів щодо нормалізації параметрів мікроклімату, можна зробити
висновок, що всі фактори роботи в даному приміщенні являються сприятливими.
Для науково-технічного відділу було підібрано радіатор RADIMIR 22, щоб
параметри мікроклімату відповідали нормам ДСН 3.3.6.042–99 та зволожувач
повітря AIR-O-SWISS U650 White для підтримки комфортного рівня вологості
повітря.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. 72
Лист № докум. Підпис Дата
Висновок
У рамках даної роботи був розроблений ємністний перетворювач. Ця
розробка має дуже велике значення, тому що в наш час швидкого розвитку науки
і промисловості одним із найважливіших і найпоширеніших завдань є
вимірювання. Відомі перетворювачі, які застосовуються в нас на сьогоднішній
день або дорогі, або безнадійно застарілі.
Основним завданням роботи було створення системи з високою
швидкодією, точністю вимірювання, широким діапазоном вимірювань,
мінімалним впливом зовнішніх факторів та простотою виготовлення. Дана мета
була досягнута за допомогою розробки емнісного перетворювача на основі
мікроконтролера.
Проведена робота сприяє створенню порівняно недорогих
конкурентоспроможних вітчизняних перетворювачів.
Розроблений перетворювач може застосовуватись для вимірювання в
автоматичних системах керування для контролю рівня рідини.
Арк
РС-203ск.024.406.001ПЗ
Зм. Лист № докум. Підпис 73
Дата