Автоматична система вимірювання високих температур

Передерій, Дмитрій Володимирович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8557

Title:	Автоматична система вимірювання високих температур
Authors:	Туз, Вячеслав Валерійович Передерій, Дмитрій Володимирович
Issue Date:	19-Jun-2023
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8557
Appears in Collections:	151 Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології (Робототехнічні системи та автоматизація)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
КРБ Передерій Д.pdf Restricted Access	КРБ Передерій Д.	1.09 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

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
«___» ___________ 2023 р.

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
ДО КВАЛІФІКАЦІЙНОЇ РОБОТИ БАКАЛАВРА

на тему «Автоматична система вимірювання високих температур»

Виконав здобувач освіти 4 курсу, групи РС93
спеціальність: 151 – Автоматизація та комп’ютерно-
інтегровані технології
освітня програма: Робототехнічні системи та
автоматизація
_____ Передерій Дмитрій Володимирович
Керівник Туз 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 – 2023
Зміст

Стор.
Технічне завдання ………………………………………………… 2
Вступ………………………………………………………..………… 5
1. Обґрунтування необхідності проектування на основі
критичного аналізу аналогів……………………………….……………….. 7
1.1. Аналіз методів і пристроїв вимірювання температури……. 7
1.2. Аналіз видів електронних термометрів……………………… 8
1.3. Аналіз видів чутливих елементів…………………………….. 12
1.4. Аналіз матеріалів для виготовлення чутливого елемента….. 14
2. Обґрунтування технічного завдання………………………….. 16
3. Розробка структурної та принципової схем………………….. 17
3.1. Розробка варіантів структурної схеми………………………… 17
3.2 Розробка електричної принципової схеми……………………. 19
3.3 Аналіз варіантів конструкції чутливого елемента…………….. 21
3.4 Опис елементної бази електричної принципової схеми………. 25
4. Розрахунок основних елементів………………………………. 29
4.1 Розрахунок характеристик теплового датчика…………………. 29
4.2 Розрахунок генератора…………………………………………. 36
4.3 Розрахунок блоку живлення…………………………………… 39
5 Технологічний розділ…………………………………………….. 47
5.1 Використання друкованих плат………………………………….. 47
5.2 Класифікація методів конструювання та виготовлення
друкованих плат…………………………………………………………….. 47
5.3 Норми й вимоги до конструювання друкованих плат………… 50
5.4 Вибір матеріалу та розрахунок розмірів заготовки…………….. 53

РС93.19016.001 ПЗ
Зм. Лист № докум. Підп Дата
Разроб. Передерій. Автоматична система Літ. Лист Листів
Пров. Туз В..В. вимірювання високих Т 3

Н.контр температур
Тичков В.В ЧДТУ
Затв. Пояснювальна записка

5.5 Розрахунок параметрів електричних з'єднань друкованих плат 55
5.6 Виготовлення фотошаблонів та вимоги до них…………………. 57
5.7 Технічне нормування……………………………………………... 61
5.8 Контроль………………………………………………………… 63
6 Спеціальний розділ………………………………………… …… 65
6.1 Економічне обґрунтування розробки системи вимірювання
високих температур…………………………………………………………. 65
6.2 Охорона праці…..……………………………………………….. 66
Висновок………………………………………………………………. 76
Список використаної літератури…………………………………….. 77
Додаток А. Відомість технічного проекту…………………………. 80
Додаток Б. Перелік нормативної документації…………………….. 81
Додаток В. Специфікації, перелік елементів………………………. 83
Додаток Г. Результати розрахунку на ЕОМ……………………….. 86
Додаток Д. Документація на виготовлення друкованої плати……. 89

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 4

Вступ

Високі температури є важливим параметром для багатьох промислових
процесів, таких як виробництво сталі, виробництво скла, нафтопереробка,
електроніка та інші галузі. Вимірювання точних значень високих температур є
критично важливим для забезпечення безпеки, контролю якості та ефективності
цих процесів. Традиційні методи вимірювання температури, такі як термопари або
пірометри, часто мають обмеження в точності, швидкості вимірювання або
доступності для вимірювання в ускладнених середовищах.
У зв'язку з цим, автоматичні системи вимірювання високих температур
набувають все більшої популярності. Ці системи використовують сучасні
технології, такі як бездротові сенсори, інтернет речей (IoT) та штучний інтелект
(ШІ), для надання точних і надійних вимірювань температури в умовах високих
температур.
Основна мета цієї роботи полягає у розробці автоматичної системи
вимірювання високих температур, яка здатна надавати точні вимірювання з
високою швидкістю і надійністю. Для досягнення цієї мети, будуть використані
передові технології, такі як бездротові сенсорні мережі, вбудовані системи та
алгоритми штучного інтелекту.
Результати цієї роботи будуть мати значний практичний внесок у галузі
промисловості, де точне вимірювання високих температур є критично важливим.
Крім того, ця робота може послужити основою для подальших досліджень і
вдосконалення систем в имірювання температури високих значень. Застосування
автоматичної системи вимірювання високих температур може сприяти
підвищенню безпеки робочих умов, ефективності процесів і контролю якості
продукції.
Для досягнення поставленої мети робота буде базуватися на сучасних
технологіях бездротових сенсорних мереж, які дозволяють збирати дані про
температуру в реальному часі з різних точок системи. Ці дані передаватимуться до
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 5

центрального обчислювального блоку, де застосовуватимуться алгоритми
штучного інтелекту для аналізу і обробки інформації.
Автоматична система буде розроблена з урахуванням вимог надійності,
точності і швидкості вимірювань. Будуть використовуватися спеціальні сенсори,
стійкі до високих температур, які забезпечуватимуть точність вимірювань в
екстремальних умовах. Також, система буде мати можливість автоматично
коригувати результати вимірювань, враховуючи фактори, такі як вплив зовнішніх
факторів або калібрування сенсорів.
Результати цієї роботи матимуть значний вплив на промисловість,
забезпечуючи надійне і точне вимірювання високих температур, що покращить
якість виробництва, зменшить ризик виникнення аварійних ситуацій та підвищить
ефективність процесів. Автоматична система вимірювання високих температур
може бути використана в різних галузях, включаючи металургію, хімічну
промисловість, енергетику, автомобільну промисловість та багато інших.

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 6

1 Обгрунтування недохідності проектування на основі критичного
аналізу аналогів

1.1 Аналіз методів і пристроїв вимірювання температури [1]
У сучасній техніці вимірювання температури застосовуються два методи:
контактний і безконтактний. Температура впливає на більшість процесів і
реакції, що протікають в природі, досліджуються в лабораторіях або здійснюються
на промислових підприємствах у процесі виробництва. Не можна обійтися без
вимірювань температури в медицині. Близько 40% усіх вимірів і 60% всіх
контрольованих параметрів прямо чи опосередковано пов'язані з температурою.
Оскільки діапазон температур, що вимагають вимірювань, знаходиться в межах від
0 до 3273 К, а в плазмі зустрічаються температури понад 108 К, для вимірювання
температури у всіх можливих випадках потрібні різноманітні засоби і методи
вимірювань.
При контактному методі вимірювання тепло передається безпосередньо від
досліджуваного об'єкта до чутливого елементу термометра. За допомогою
безконтактних засобів вимірювання температуру об’єктів, що вимірюються
визначають за теплом, що випромінюється цими об’єктами. Безконтактні методи
вимірювань застосовують для вимірювання високих температур або коли
застосування контактних термометрів недоцьльно. Безконтактні засоби вимірів
ніяк не впливають на температуру досліджуваного об'єкта. Однак, вони складні в
плані технічної реалізації і мають велику погрішність виміру . Надалі безконтактні
методи розглядатися не будутъ[1].
Проведемо тепер короткий аналіз характеристик пристроїв контактної
вимірювання температури. Для реалізації контактних методів вимірювання
температури використовують термометри розширення (рідинні, ртутні і
манометричні) та електричні термометри (термоперетворювачі опору, і
термоелектричні термометри). Всі контактні термометри термометри охоплюють
діапазон температур від 13 до 247 К і короткочасно до 273К[1].
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 7

У термометрів розширення для вимірювання температури використовують
теплове розширення рідини або газу. В електричних термометрах для визначення
температури слугують такі величини, що залежать від температури, як опір
провідника, напівпровідника або ТЕРС термопари. Термометри розширення
відрізняються високою точністю, простотою пристрої та малою вартістю. Однак
вони тендітні, як правило, непридатні до ремонту і не можуть використовуватися в
комп'ютерних діагностичних комплексах. Термометри розширення також мають
високу інерційність, тобто миттєве вимірювання температури не можливе (більше
5 хв.).

1.2 Аналіз видів електронних термометрів
Електричний термометр найчастіше складається з двох частин: теплового
датчика; схеми обробки з індикатором. На практиці застосовуються три основних
типи термометрів: (1) термоелектричні термометри; (2) термістори; (3) термометри
опору.
Основна частина теплового датчика - чутливий елемент, який і визначає тип
термометра. У загальному випадку, при виборі чутливого елемента треба
враховувати наступні вимоги [1-3]:
1) Бажано, щоб чутливий елемент, в заданому діапазоні виміру, мав
лінійним перетворенням температури в електричні величини. Це дозволило б
спростити схему обробки.
2) Характеристики матеріалу, з якого буде виготовлений чутливий
елемент,повинні залишатися стабільними в часі і при багатократній зміні
температури.
3) Чутливий елемент, і теплової датчик в цілому, повинні мати малу
інерційність. Це дозволить скоротити час вимірювання.
4) Конструкція теплового датчика повинна бути стійкою до ударів і вібрації.
У термоелектричних термометрах застосовують термопару як чутливий
елемент. При зміні температури в ній виникає термоелектрорушійна сила, яка може
служити мірою для вимірювання температури.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 8

Термоелектричні термометри мають дуже широкий діапазон вимірювання.
- Від 73 до 2473 К (короткочасно до 2773 К) . Чутливі елементи на термопарах
мають досить високу точність вимірювань й стабільність характеристик
перетворення, але при цьому мають ряд недоліків.
По-перше, термопари крихкі і легко піддаються корозії. Зазвичай вони
використовуються у керамічній чи металевій колбі. Це збільшує інерційність
теплового датчика і ускладнює технологію виготовлення. Для подолання цього
недоліку слід виконувати чутливий елемент з тонкоплівкової технології. Але
отримання термопари з характеристиками масивного зразка в тонкоплівкових
варіанті – процес складний[1-3].
По-друге, термоелектричні термометри мало придатні для точних вимірів у
діапазоні малих температур, через сильну нелінійність характеристики
перетворення. На рисунку 1.1 наведена залежність відхилення показань
термометрів від істинних значень температури. З рисунка 1 видно, що в області
малих температур залежність має різко нелінійний характер, що веде до падіння
точності вимірювання. Для усунення цього недоліку необхідно застосовувати
додаткові схеми обробки - лінеарізатори, що веде до ускладнення конструкції
термометра.

Рисунок 1.1- Залежність відхилення показань ΔT термометрів від істинних
значень температури Т для чутливого елемента на термопар[1-3]
Термістори - це термометри опору, в основі роботи яких лежить явище
зміни, опору чутливого елемента залежно від температури. Як матеріал для
виготовлення чутливого елементу для застосовують напівпровідники або графіт.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 9

Термістори з напівпровідниковими чутливими елементами можна вимірювати
температуру від 173 до 873 К , з графітовими - більш низькі температури - від 0 до
873 К.
Зміна опору напівпровідників зі зміною температури описується
залежністю[2]:
�������� = ���� ∙ (���������), (1.1)
де: А - коефіцієнт - залежить від опору чутливого елемента;
В - коефіцієнт - залежить від матеріалу з якого виготовлений чутливий
елемент.
Як випливає із залежності (1.1), тут, як і у випадку з термоелектричними
термометрами, нелінійність залежності зміни опорів від зміни температури
потрібно застосування додаткових перетворень для отримання лінійно залежної від
температури елекричної величини, що ускладнює конструкцію приладу.

Рисунок 1.2 - Відношення опорів в залежності від температури (Т) для
металевих термометрів опору. R293 - спротив чутливого елемента при температурі
293 К; RT - опір чутливого елемента при температурі Т[2].

Принцип дії металевих термометрів опору заснований на залежності
провідникові від зміни температури. Цей тип термометрів, найбільшою мірою,
відповідає вимогам, що ставляться до електричних термометрів, тому що метали
мають лінійною залежністю опору від температура , як це показано на рисунку 1.2,
гарною відтворюваністю властивостей, гарною відтворюваністю властивостей,
мають високий температурний коефіцієнт опору і малу інерційність.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 10

Термометри опору випускаються для вимірів температур в діапазоні від 13
до 1373 К , при цьому вони відрізняються високою точністю вимірювань (для
термометрів з чутливим платиновим елементом при коректному проведення
вимірювання можна отримати похибка не більше 0,001 К ).
У процесі роботи чутливий елемент нагрівається що проходить по ньому
струмом до більш високої температури, ніж температура досліджуваного
середовища, що вносить додаткову погрішність. Визначити розрахунковим
шляхом цю додаткову погрішність неможливо, тому співвідношення між
температурою і опором визначається за експериментальними кривими таким
чином, щоб погрішність за рахунок самонагрівання не перевищувала 0,1% опору
чутливого елемента при температурі 273 К .
Характеристики розглянутих термометрів наведені у таблиці 1.1.
Таблиця 1.1 - Характеристики електричних термометрів[1-3]
Термоелектричний
Параметри Термометр опору Термістор
термометр
1. Чутливість 0,1-10 Ом/К 10-50 мкВ/К 0,1-1 кОм/К
2. Стабільність (похибка
0,01% 0,5 % 1%
параметрів за рік)
3. Діапазон вимірювання
123-1123 К 73-1873 К 173-623 К
температур
4. Лінійність * 1 2 3
5. Точність* 1 2 3
6. Вартість * 2 1 3
* - 1 – найкраще або найгірше значення

Як видно з таблиці 1.1 найбільшою чутливістю, стабільністю,
відтворюваністю параметрів і точністю мають металеві термометри опору. Таким
чином, для мініатюризації конструкції та ефективної роботи електричного
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 11

термометра слід виготовити теплової датчик з чутливим елементом у вигляді
металевого термоопору.

1.3 Аналіз видів чутливих елементів[5]
Найбільш поширені чутливі елементи для термометрів опору – Вуглецеві
чутливі ементи – широко доступні і дуже недорого. Вони мають дуже точні
результати при низьких температурах і є найбільш надійною формою при
екстремально низьких температурах. Вони, як правило, ,,не страждають“ від
гістерезису та тензометричних ефектів. Вуглецеві резистори були використані
дослідниками протягом багатьох років. Їх загальний вигляд показаний на рисунку 1.3.

Рисунок1.3 - Вуглецевий чутливий елемент[5]
– Дротові чутливі ементи можуть мати більш високу точність в широкому
температурному діапазоні. Діаметр котушки забезпечує компроміс між
механічною міцністю і дозволяє розширення дроту при мінімальній деформації. Їх
загальний вигляд показаний на рисунку 1.4.

Рисунок1.4 - Дротовий чутливий елемент[5]
– Спінральні чутливі ементи (дріт, намотаний у вигляді спіралі). Така
конструкція дозволяє більш вільно дефоруватися під впливом температури і в той
же час забезпечує необхідну підтримку для котушки. Їх загальний вигляд
показаний на рисунку 1.5.

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 12

Рисунок1.5 - Спіральний чутливий елемент[5]

– Мостовий чутливий елемент. Чутливий елемент теплового датчика
представляє собою вимірювальний міст. Принципова електрична схема чутливого
елемента наведена на рисунку 1.6. Параметри всіх резисторів підібрані таким
чином, що при температурі 273 К їх опори рівні. Мостова схема чутливого елемента
дозволяє виключити вплив похибок схемних елементів на точність вимірювання, і
підрахункам підлягає тільки похибка перетворення аналого-цифрового
перетворювача і похибка нагріву теплового датчика. Підбір опорів резисторів
дозволяє проводити налаштування тільки по верхній точці заданого діапазону
температур, оскільки при температурі 273 К з обох частин мосту буде зніматися
однакову напругу. Налаштування термометра проводиться один раз, відразу після
збирання, і надалі не потрібно. Екектрична принципова схема мостового чутливого
елементу представлена на рисунку 1.6.

Рисунок 1.6 - Екектрична принципова схема мостового чутливого
елементу[5]

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 13

1.4 Аналіз матеріалів для виготовлення чутливого елемента
Для вибору оптимального матеріалу для виготовлення чутливого елемента
розглянемо декілька типових варіантів конструкцій.
Чутливі елементи для металевих термометрів опору зазвичай виготовляють
з дроту, намотаного на каркас. Але, якщо потрібно мала інерційність теплового
датчика, використовують металеву фольгу або виготовляють мініатюрний теплової
датчик з чутливим елементом по тонкоплівковії технології.
Платинові термометри опору [1-8]
Платинові термометри опору мають хорошу стабільність (калібрувальний
дрейф менше ± 0,1 К / рік) і високу точність вимірювання. Платина має лінійну
залежність зміни опору від зміни температури в діапазоні від 73 до 903 К. У цьому
діапазоні платиновий термометр опору використовують як еталонного для
міжнародної термометричні шкали.
У залежність від вимірюваної температури, чутливі елементи для
платинових термометрів опору виготовляють з дроту діаметром від 0,05 до 0,1
мм. Мініатюрні чутливі елементи виготовляють за тонкоплівковою технологією.
При цьому отримують опір від 200 до 500 Ом при довжині терморезистора 5-10 мм
і ширині - 0,1 - 0,2 мм. Максимально вимірювана температура термометрів з
тонкоплівковим чутливим елементом 773 К, з похибкою ± 0,1 К.
Єдиний недолік цих термометрів опору - висока вартість платини.
Мідні термометри опору[1-8]
Мідь має лінійну залежність зміни опору від вимірювання температури в
діапазоні від 223 до 423 К і іноді при вимірі малих температур використання мідних
термометрів опору переважно платинових. До інших достоїнств міді відноситься
низька вартість, простота отримання тонкого дроту і плівки високої чистоти з
різною ізоляцією, а також більш високий, ніж у платини температурний коефіцієнт
опору, що дозволяє виготовити теплової датчик з більшою чутливістю.
Головний недолік цих термометрів, що обмежує діапазон через міряють
температуру, - це швидке окислення міді на повітрі при температурі вище 473 К.
Нікелеві термометри опору [1-8].
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 14

Нікелеві термометри опору, що серійно випускаються, придатні для
вимірювання температури в діапазоні від 273 до 423 К і короткочасно до 453К.
Номінальні опори чутливих нікелевих елементів становлять від 50 до 100 Ом, з
похибкою виміру від ± 0,05 до ± 0,1 До протягом 1500 годин.
Використання цих термометрів обмежене тим, що: по-перше, при
температурах близьких до 573 К До нікель починає значно окислюватися;і, по-
друге, лінійність характеристики перетворення сильно залежить від чистоти
нікелю, з якого виготовлений чутливий елемент. Тому для розширення діапазону
вимірювання температури і зменшення впливу чистоти матеріалу застосовують
нікелеві сплави. Тантал – нікелеві чутливі елементи виготовляють за
тонкоплівковою технологією і використовують у термометрах для виміру
температур в діапазоні від 213 до 563 К.
У таблиці 1.2 наведені характеристики металевих термометрів опору з
різними чутливими елементами.

Таблиця 1.2 - Порівняльні характеристики металевих термометрів опору[1-8]
Конструктивн Погрішні Номін Діапазон
ий варіант виконання сть ,% альний опір, вимірювання, К
1. Дро тові чутливі елементи з намо ткою на каркас
1.1Платинові +0,5 1-500 273-903
1.2.Мідні ±1 10-100 223-423
2.Тонкоплівкові чутливі елементи
2.1.Платинові ±0,1 200- 223-773
2.2.Мідні ±0,1 10 -400 223-373
2.3.Тантал- ±1 500- 213-563
нікелеві 100
2.4.Хромові ±0,1 10-400 223-523

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 15

2 Обґрунтування технічного завдання

На основі отриманого технічного завдання, а також отриманих результатів
при аналізі методів вимірювання температури[1-8] та аналізу аналогів [1-11],
прилад повинен задовольняти наступні характеристики, які представлені в
таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 - Технічні характеристики приладу
Технічні характеристики Величина
Діапазон вимірюваних температур, ° С від 0 до +90
Кількість вимірювальних каналів, шт. 1
датчик з чутливим елементом
Датчик температури
на анодованому алюмінії
Межа допустимої абсолютної похибки при
+ 0.5
нормальних кліматичних умовах ° С
Межа допустимої абсолютної похибки при
+1.0
крайніх кліматичних умовах ° С
Максимальна напруга комутації:
змінна напруга, В / Гц 250/50
постійна напруга, В 350
Максимальний струм навантаження, А 0.7
Напруга живлення, В / Гц 220/50
Споживана потужність, ВА 15
Кількість вихідних дискретних сигналів, шт. 4
Режим роботи безперервний
Середній час напрацювання на ≥ 40000
відмову, год.
Діапазон робочих температур ° С від - 40 до + 45
Маса, кг 1.4
Габаритні розміри, мм 170 x 102 x 102
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 16

3 Розробка структурної та принципової схем

3.1 Розробка варіантів структурної схеми
Проаналізувавши аналоги [1-11] переходимо до розробки структурної
схеми.
Спрощена структурна схема термометра показана на рисунку 3.1. Прилад
складається з шести основних блоків: датчика, перетворювача температура-
частота, генератора прямокутних імпульсів, лічильника імпульсів з дешифратор,
блоку живлення та індикатора.
Перетворювач перетворить пряме падіння напруги на датчику в частоту.
Імпульси з виходу перетворювача-інтегратора заповнюють прямокутні імпульси,
що йдуть з генератора, і далі надходять на лічильник, який перетворює ці пакети
імпульсів в код управління семисегментний індикаторами. Під час рахунку
імпульсів індикатори не горять - вони замкнені сигналом, що приходять з
генератора, який також виробляє сигнал скидання показань в кінці циклу індикації.
Блок живлення виробляє всі необхідні напруги для живлення блоків термометра.

Рисунок 3.1 - Спрощена структурна схема електронноготермометра

Датчик являє собою чутливий елемент, який фіксує зміну опору провідника,
до якого він приєднаний залежно від зміни температури. Для того, щоб починати
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 17

вимірювання, необхідно дочекатися, коли чутливий елемент нагріється до
температури провідника, щоб виключити можливість спотворення вимірювання.
Перетворювач складається з операційного підсилювача, інтегратора,
стабілізатора та диференціюю чого пристрою.

Рисунок 3.2 - Елементи перетворювача
Перетворювач фіксує падіння напруги на чутливому елементі, що необхідно
для роботи інтегратора. Інтегратор зібраний на основі К574УД1Б[11], що має
велику швидкість зростання вихідної напруги, чим і забезпечується висока
швидкість відслідковування зміни напруги і досягається необхідна точність.
Стабілізатор фільтрує сигнал, урізає його до необхідних границь. Вихідний сигнал
інтегратора через диференціюючий пристрій потрапляє до генератора.

Рисунок 3.3 - Лічильник імпульсів[11]
Лічильник імпульсів підраховує кількість імпульсів, які йдуть від
генератора, а також формує сигнали для керування семи сегментним індикатором.
Також лічильник імпульсів в кінці періоду індикації формує сигнал, який скидає
показники лічильника і обнуляє індикатор.
Генератор зібраний на основі операційному підсилювачі К140УД8Б[14-18],
що забезпечує вихідні імпульси прямокутної форми з періодом 4 с. Скважність
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 18

імпульсів встановлюється коректуючим пристроєм так, щоб відношення
тривалості імпульсу до паузи було рівним 1:3. За час тривалості імпульсу, рівний 1
с, на вхід лічильника надходять імпульси, кількість яких пропорційна вимірюваній
температурі за час паузи. Ця інформація висвічується індикатором. Під час рахунку
лічильником індикатори замкнені сигналом, що приходить з генератора. Після
підрахунку кількості імпульсів, пропорційного вимірюваної температурі, ключ
закривається, індикатор протягом 3 з виводить інформацію, яка зберігається в
лічильнику.

Рисунок 3.4 - Генератор імпульсів
Таким чином загальний вигляд структурної схеми електронного
термометра матиме вигляд, представлений на рисунку 3.5.
Рисунок 3.5 - Структурна схема електронного термометра

3.2 Розробка електричної принципової схеми
За основу взято пристрої перетворювач ,,температура – частота” в
електронному термометрі з безпосереднім відліком. Температурна залежність
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 19

падіння напруги на чутливому елементі при фіксованому струмі через. В
перетворювачі використовується діод VD5, падіння напруги на якому необхідно
для роботи інтегратора. Інтегратор зібраний на операційному підсилювачі DA2
К574УД1Б[11-13], що має велику швидкість наростання вихідної напруги, чим
забезпечується висока швидкість відстеження і досягається точність перетворення,
що дорівнює 0,1 ° С.
Коли інтегруючий конденсатор С3 заряджає до напруги - 10 В, інтегратор
скидається одноперехідному транзисторах VT2. Опорне напруга, що задає поріг
відмикання одноперехідному транзистора і стабілізуючий струм через датчик VD5,
забезпечується термостабілізірованньш стабілізатором VD3,VD4.Вихідна напруга
інтегратора через диференціюють ланцюжок C4R16 надходить на струмовий ключ-
транзистор VT3, що формує пакети імпульсів. На базу VT3 приходять сигнали
перетворювача і генератора прямокутних імпульсів. Генератор зібраний на
операційному підсилювачі DA1 К140УД8Б, що забезпечує вихідну напругу
прямокутної форми з періодом 4 с. Скважність імпульсів встановлюється
резистором R2 так, що відношення тривалості імпульсу до паузі одно 1:3. За час
тривалості імпульсу, що дорівнює 1 с, на вхід лічильника надходять імпульси,
кількість яких пропорційно вимірюваної температурі за час паузи, що дорівнює 3
с, ця інформація висвічується індикатором. Під час рахунку індикатори замкнені
напругою -15 В, що приходять з генератора. Після підрахунку кількості імпульсів,
пропорційного вимірюваної температурі, ключ VT3 закривається, лампи HL1-HL3
протягом 3 с. з висвічують інформацію, що зберігається в лічильниках DD1 - DD3.В
кінці періоду індикації транзистор VT1 і диференціюються ланцюжок C2R9
формують імпульс скинути показники лічильників. Для покращення стабільності
роботи генератора як конденсатора С1 застосовується конденсатор К73П-3 з
малими струмами витоку і хорошою термостабільністю.
Для збільшення точності вимірювання у всьому діапазоні 0 ... 90 ° С можна
використовувати кварцовий генератор секундних імпульсів. Такий генератор
зібраний на мікросхемі DD1 в одному корпусі з двома дільниками частоти.
Коефіцієнт ділення першого дільника дорівнює 29, а другого 215. Генератор з
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 20

кварцовим резонатором Z1 формує послідовність імпульсів частотою 215 Гц (32768
Гц). Ці імпульси подаються на 15-розрядний дільник частоти. На виході 5
мікросхеми DD1 частота генератора знижується до 1 Гц. Для отримання
прямокутних імпульсів зі шпаруватістю 2 і періодом 2 з застосований дільник
частоти на мікросхемі DD2 . З виходу 1 цієї мікросхеми знімається сигнал частотою
0,5 Гц. Цей сигнал подається індикатори HL1-HL3. Генератор, зібраний за
наведеною схемою, має хорошу часову і температурну стабільність. Використання
кварцового генератора і термокомпенсірованного конденсатора СЗ в
перетворювачі температура - частота дозволяє знизити похибка вимірювання в
діапазоні 0°C до 1800°C. до 0,1 ° С і менше. Час індикації показників при цьому
становить 1 с.

3.3 Аналіз варіантів конструкції чутливого елемента
При вимірюванні температури тепло передається від вимірюваного
середовища через корпус теплового датчика до чутливого елементу. Оскільки при
цьому відбувається теплообмін, як між частинами теплового датчика, так і між
датчиком і середовищем, то з'являється відхилення виміряної температури від
дійсного значення. Це відхилення залежить від конструкції теплового датчика і
характеристик досліджуваного об'єкта. Для того, щоб виключити або підтримувати
ці відхилення в допустимих межах, необхідно використовувати для конкретних
вимірювань найбільш придатну для цієї мети конструкцію чутливого елемента.
Внаслідок теплообміну чутливий елемент приймає вимірювану
температуру з деяким запізненням у часі. Це запізнення і буде визначати час між
вимірюванням та виведенням результатів роботи термометра на індикатор. Якщо
встановили теплову рівновагу, то термометр буде мати тільки статичну похибку
(похибку нагріву). Вигляд тимчасових характеристик у загальному випадку
представлений на рисунку 3.6.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 21

Рисунок 3.6 - Загальний вигляд часових характеристик термометрів
опору[3]
А - зміна показань термометра;
Th - час нагрівання чутливого елемента до температури досліджуваного
об'єкта (Тзаг);
T0,9 - час виходу температури чутливого елемента на рівень 0,9 від
температури досліджуваного об'єкта Тзаг;
Δ Ен – статична похибка (похибка нагріву).
Як відомо, для виготовлення теплонавантажених тонкоплівкових
мікросхем використовують підкладки з високою теплопровідністю. Як правило, в
якості таких підкладок використовують анодований алюміній. Відомо також, що
тонкі полімерні мембрани мають порівняно невеликий час нагрівання. Щоб
отримати мініатюрний теплової датчик з малою тепловою інерційністю слід
виготовити чутливий елемент на підкладці, виготовленій з матеріалу, який має
високу теплопровідність. Виходячи з вище сказанного, ми розглядаємо два
варіанти виконяння конструкції: теплової датчик з формуванням структури
чутливого елемента на анодованомій алюмінієвій підкладці і теплової датчик з
формуванням структури чутливого елемента на тонкій полімерній мембрані.
Оскільки в обох випадках корпус теплового датчика слід виготовити з
матеріалу з малою теплопровідністю, то похибкою при передачі тепла через стінки
корпусу датчика можна знехтувати.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 22

Перший варіант конструкції - це тепловий датчик з чутливим елементом на
анодованому алюмінії. Пристрій теплового датчика та теплова схема конструкції
представлені на рисунку 3.7. Оскільки підкладка з анодованого алюмінію має
достатню міцність, то додаткових захисних пристосувань не потрібно. При такому
варіанті конструкції передача тепла від досліджуваного об'єкта до чутливого
елементу здійснюється через підкладку, тобто потрібно визначити τ1 - час
нагрівання підкладки з анодованого алюмінію.

Рисунок 3.7 - Пристрій теплового датчика і його теплова схема[3].
Тоб - температура досліджуваного об'єкта;
Тче - температура чутливого елемента;
RA12O3 - тепловий опір шару діелектрика ;
RAl - тепловий опір шару алюмінію.
Другий варіант конструкції - формування структури чутливого елемента на
тонкій полімерный мембрані. Пристрій такого теплового датчика та теплова схема
представлені на рисунку 3.8. Оскільки тонка полімерна мембрана не є міцною
несучою конструкцією, то передбачена захисна сітка. Передача тепла від
досліджуваного об'єкта до чутливого елемента здійснюється теплопровідністю,
конвекцією та випромінюванням через сітку і повітряний зазор, а потім -
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 23

теплопровідністю через мембрану. Вважаючи, що захисна сітка і тонка полімерна
мембрана нагріваються практично миттєво, слід визначити τ 2 - час передачі тепла
через повітряний зазор[3].

Рисунок 3.8 - Пристрій теплового датчика з формуванням структури
чутливого елемента на тонкій полімерної мембрани і його теплова схема[3].
RК - тепловий опір передачі тепла конвекцією;
RВ - тепловий опір передачі тепла випромінюванням;
RТ - тепловий опір передачі тепла теплопровідністю.

Завдання вибору конструктивного варіанти виконання чутливого елемента
полягає у визначенні часу τ1, τ2 і їх порівнянні. Якщо в результаті розрахунків буде
отримано, що τ1 >> τ2, то слід вибрати варіант конструкції теплового датчика з
формуванням структури чутливого елемента на тонкій полімерної мембрані. Якщо
ж виявиться, що τ1 ≥ τ2 або τ1 < τ2, то слід вибрати варіант конструкції з
формуванням структури чутливого елемента на анодованому алюмінії, оскільки
цей варіант більш дешевий і простий у реалізації.

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 24

3.4 Опис елементної бази електричної принципової схеми
При виготовленні друкованої плати використовують постійні резистори
МЛТ 0,125[13].
Резистори налаштування R2, R13, R14, R15-СП5-3 дротові, багатооборотні.
В таблиці 3.1 показані номінали резисторів, що використовуються.
Таблиця 3.1 - Резистори , що використовуються та їх номінали[13].
Позначення на схемі Назва Номінал
R1 Резистор МЛТ-0,125 2МОм±0,25%
R2 Резистор СП5-3 2,2МОм±0,25%
R3 Резистор МЛТ-0,125 100кОм±0,25%
R4 Резистор МЛТ-0,125 100кОм±0,25%
R5 Резистор МЛТ-0,125 20кОм±0,25%
R6 Резистор МЛТ-0,125 10кОм±0,25%
R7 Резистор МЛТ-0,125 1кОм±0,25%
R8 Резистор МЛТ-0,125 2кОм±0,25%
R9 Резистор МЛТ-0,125 1кОм±0,25%
R10 Резистор МЛТ-0,125 8,2МОм±0,25%
R11 Резистор МЛТ-0,125 820±0,25%
R12 Резистор МЛТ-0,125 820 кОм±0,25%
R13 Резистор СП5-3 1кОм±0,25%
R14 Резистор СП5-3 22кОм±0,25%
R15 Резистор СП5-3 10кОм±0,25%
R16 Резистор МЛТ-0,125 2,2кОм±0,25%
R17 Резистор МЛТ-0,125 2кОм±0,25%
R18 Резистор МЛТ-0,125 2кОм±0,25%
R19 Резистор МЛТ-0,125 10кОм±0,25%
На рисунку 3.9 показано загальний вигляд резисторів налаштування СП5-3[16].

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 25

Рисунок 3.9 - Резистор налаштування СП5-3
Конденсатори С1, С2, С3,С4 – КМ4.
В таблиці 3.2 показані номінали конденсаторів, що використовуються.

Таблиця 3.2 - Конденсатори, що використовуються та їх номінали[11]
Позначення на схемі Назва Номінал
С1 Коденсатор КМ-4 1мкF
С2 Коденсатор КМ-4 0,047кмF
С3 Коденсатор КМ-4 4700
С4 Коденсатор КМ-4 680

Інтегратор зібраний на операційному підсилювачі DA2 К574УД1Б, що має
велику швидкість наростання вихідної напруги, чим забезпечується висока
швидкість відстеження і досягається точність перетворення, що дорівнює 0,1 ° С.
В таблиці 3.3 показані характеристики операційного підсилювача
К574УД1Б.
Генератор зібраний на операційному підсилювачі DA1 К140УД8Б[15,17],
що забезпечує вихідна напруга прямокутної форми з періодом 4 с.
В таблиці 3.4 показані характеристики операційного підсилювача
К140УД8Б.

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 26

Таблиця 3.3 - Характеристики операційного підсилювача К574УД1Б
Назва характеристики Величина
Число ОП в корпусі шт. 1
Мінімальна напруга живлення, В 13,5
Максимальна напруга живлення, В 16,5
Струм живлення підсилювача, мА 10
Вхідна напруга зсуву, мВ 50
Вхідний струм при 25оС, мкА 0,0005
Температурний дрейф нуля, мкВ / оС 100
Коефіцієнт підсилення з розімкненою ОС, дБ 20000
Гранична частота підсилення в малосигнальному 10
режимі, МГц
Швидкість наростання вихідної напруги, В / 50
мкс
Температурний діапазон, оС: -40…+70
Таблиця 3.4 Характеристики операційного підсилювача К140УД8Б[15,17]
Назва характеристики Величина
Число ОП в корпусі шт. 1
Мінімальна напруга живлення, В 9
Максимальна напруга живлення, В 15
Струм живлення підсилювача, мА 42
Вхідна напруга зсуву, мВ 0.2
Вхідний струм при 25оС, мкА 60
Температурний дрейф нуля, мкВ / оС 0.04
Коефіцієнт підсилення з розімкненою ОС, дБ 96
Гранична частота підсилення в малосигнальному 3
режимі, МГц
Швидкість наростання вихідної напруги, В / 120
мкс
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 27

Рисунок 3.10 - Схема підключення, загальний вигляд та габаритні розміри
операційного підсилювача К140УД8Б[15,17]

Лічильник може бути побудований на мікросхемі серії К155[11], але тоді
зросте споживана потужність, потрібно внести зміни в блок живлення і блок
індикації приладу. Датчик приладу - германієвих точковий діод Д9. Його висновки
зігнуті в один бік, припаяні до кабелю з фторопластовою ізоляцією, на половину
корпусу надіта трубка з поліхлорвінілу. Коли датчик опускається в струмопровідну
середу, потрібно стежити, щоб він не занурювався більш ніж на половину довжини
корпусу. Для роботи в агресивних середовищах, з кислотами і лугами, датчик
потрібно захистити епоксидної смолою, що забезпечує його ізоляцію і гарну
теплопровідність.

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 28

4 Розрахунок основних елементів

4.1 Розрахунок характеристик теплового датчика
Для визначення часових і точносних характеристик теплових датчиків для
двох запропонованих варіантів конструкції слід визначити перехідні
характеристики в матеріалах, з яких виготовлений тепловий датчик. У той час, як
перехідні характеристики у воді та повітрі легко визначити дослідним шляхом, в
інших середовищах їх знаходження пов'язано з великими труднощами. Як правило,
тимчасові і точнісні характеристики в будь-якому середовищі можна визначити
шляхом порівняння з характеристиками в двох еталонних середовищах (воді та
повітрі). За обчисленими характеристиками можна отримати уявления про те, чи
задовольняє термометр вимоги по точності і часу вимірювання.
Датчик з чутливим елементомтом на анодованому алюмінії.
Згідно теплової схемою на рисунку 3.7 тепло від досліджуваного об'єкта
передається до чутливого елементу через підкладку з анодованого алюмінію за
допомогою теплопровідності. Для розрахунку знадобляться наступні дані:
λal=220 Вт/м⋅К – теплопровідність алюмінію.
λд= 12 Вт/м⋅К – теплопровідність діелектрика.
hal = 10-3 м – товщина шару алюмінію.
hд = 60 ⋅10-3 м – товщина шару діелектрика.
Коефіцієнти теплопередачі еталонних середовищ:
αa(еталонний повітря) = 33,6 Вт/м2⋅К;
αw (еталонна вода) = 2604 Вт/м2⋅К;
Встановлена досвідченим шляхом часи виходу на 0,5 і 0,9 відповідно від
усталеного значення температури для повітря і води:
для повітря – ta0,5 = 114 c ta0,9 = 360 c;
для води – tw0,5 = 7,5 c tw0,9 = 30 c;
Визначення часу нагріву[14]
а) Коефіцієнти теплопередачі для алюмінію і діелектрика:
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 29

���� ����д
д = �ℎ , (4.1)
����

���� = ����д
Д �ℎ = 12� 5
(60 ∙ 10−3) = 2 ∙ 10 Вт/м2⋅;
д

���� ������������ 220
�������� = �ℎ = �(10−3) = 220 ∙ 103Вт/м2⋅К.
��������
б) Відношення коефіцієнтів теплопередачі у воді та повітрі:
���� = ��������
���� ���������, (4.2)

���� = ������������� = 2604
���� ���� �33,6 = 77,5.
в) Відносний коефіцієнт теплопередачі для алюмінію і діелектрика:

���� = ������������� , (4.3)

−3
���� ������������
�������� = ����� = 220 ∙ 10
���� �33,6= 6547,62;

����Д = ����д���������= 2⋅105/33,6 = 5952,38.
г) Уявний коефіцієнт теплопередачі:
(���� −1 ��������
��������) = ����� , (4.4)
����

(���� −1
��������0,5) = ��������0,5� = 7,3
���� �114 = 0,066;
����0,5

(���� )−1 = ��������0,9����� = 30
��������0,9 �360 = 0,083.
����0,9
д) Параметр VT:
���� (�������� − 1)
���� = � 0,99 (4.5)
��������� �0,01 + �������������� − 1� ,
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 30

���� (��������0,5 − 1)
����0,5 = ������ �0,01 + 0,99
����0,5 �������������0,5� − 1� =
= (77,5 − 1)
�
�77,5 �0,01 + 0,99�0,066� − 1� = 15,81;

��������0,9 = (��������0,9 − 1)
����������0,9 �0,01 + 0,99�������������0,9� − 1� =
= (77,5 − 1)
�
�77,5 �0,01 + 0,99�0,083� − 1� = 12,45.

е) Уявні коефіцієнти теплопередачі алюмінію і діелектрика[3,5,14]:
(���� )−1 = �1� � (1 + �(�������� − 1)
�������� 0,99���� ���������� − 0,01�������� , (4.6)
����

(���� )−1 = �1� � (1 + �(�������� − 1)
��������0,5 0,99���� �
���� ��������� − 0,01�������� =
= �1�0,99 ∙ 15,81� (1 + �(15,81 − 1)�6547,62� − 0,01 ∙ 15,81
= 0,05482;

(������������0,9)−1 = �1� � (1 + �(�������� − 1)
0,99���� ���������� − 0,01�������� =
����
= �1� ∙ 12,45� (1 + �(15,81 − 1)
0,99 �6547,62� − 0,01 ∙ 112,45
= 0,07163;

(���� −1
Д0,5) = �1� � (1 + �(�������� − 1)
0,99���� ���������� − 0,01�������� =
����
= �1�0,99 ∙ 15,81� (1 + �(15,81 − 1)�5952,62� − 0,01 ∙ 15,81
= 0,05431;

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 31

(���� )−1 = �1� (�������� − 1)
Д0,9 0,99���� � (1 + � ���������� − 0,01����
���� ���� =
= �1�0,99 ∙ 12,45� (1 + �(15,81 − 1)�5952,38� − 0,01 ∙ 112,45
= 0,07118.

ж) Час (tXi) виходу на рівень 0,5 і 0,9 від усталеного значення температури
для алюмінію і діелектрика[3,5,14]:
���� = ��������
���� ���������, (4.7)

���� ��������0,5 114
��������0,5 = �������������0,5 = �0,054 = 6,156 ����;

���� ��������0,9 360
��������0,9 = �������������0,9 = �0,071 = 25,56 ����;

���� = ��������0,5
Д0,5 �����Д0,5 = 114�0,054 = 6,156 ����;

���� = ��������0,9����� = 360
Д0,9 Д0,9 �0,071 = 25,56 ����.
з) Час (tПi) нагрівання підкладки з анодірованногоалюмінія:
����П = ������������ + 2����д, (4.8)

����П0,5 = ������������0,5 + 2����Д0,5 = 6,51 + 2 ∙ 6,51 = 18,51 ����;

����П0,9 = ������������0,9 + 2����Д0,9 = 25,56 + 2 ∙ 25,56 = 76,7 ����;
Визначення похибки нагріву[14]
Експериментально певні похибки для повітря (Еа) і води (Ew) відповідно
рівні : Ea =±0,33 K і Ew=±0,05 K.
1.Уявний коефіцієнт теплопередачі:
(���� )−1 = ��������
���� ����� , (4.9)
����
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 32

(���� )−1 = ��������� 0,05
���� ���� = �
���� 33 = 0,152;
2. Параметр VTE:
���� = (�������� − 1)
�������� � 0,99 (4.10)
��������� �0,01 + �������������� − 1� ,

���� = (��������0,5 − 1)
�������� ���������� �0,01 + 0,99�������������� − 1� =
= (77,5 − 1)
�
�77,5 �0,01 + 0,99�0,152� − 1� = 6,152.

3.Уявні коефіцієнти теплопередачі:
(���� −1 1 (������������ − 1)
��������) = � �0,99���� � (1 + � ���������� − 0,01������������ , (4.11)
��������

(���� −1
������������) = �1� � (1 + �(�������� − 1)
0,99���� ���������� − 0,01�������� =
����
= �1� ∙ 6,151� (1 + �(6,151 − 1)
0,99 �6547,62� − 0,01 ∙ 6,151
= 0,154;

(���� )−1 = �1� � (1 + �(�������� − 1)
ДЕ 0,99���� �
���� ��������� − 0,01�������� =
= �1�0,99 ∙ 6,151� (1 + �(6,151 − 1)�5952,62� − 0,01 ∙ 6,151
= 0,0,152;

4.Похибки нагріву для алюмінію і діелектрика[14]:
EX = Ea·αX , (4.12)

EAL = 0,33⋅0,154 = ±0,051K;

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 33

EД = 0,33⋅0,154 = ±0,051K.
5.Похибка (Е) нагрівання підкладки з анодованого алюмінію знайдемо з
формули:
E2 2 2 ,
= EAL + 2EД (4.13)

E2
= (0,051)2 + 2(0,051)2= ±(0,088).
Датчик з чутливим елементом на тонкій полімерній мембрані.
Як було сказано раніше, час нагрівання металевої сітки і тонкої полімерної
мембрани значно менше, ніж час передачі тепла через повітряний зазор. Отже, при
розрахунку τ 2 можна цими часом знехтувати (будемо враховувати їх, якщо
виявиться, що τ1 >> τ2 ). Як показано на рисунку 3.8 через повітряний зазор тепло
передається теплопровідністю, конвекцією та випромінюванням
Для розрахунку знадобляться наступні дані:
λпов=0,025 Вт/м⋅К – теплопровідність повітря.
hпов = 2 ⋅10-3 м – ширина повітряного зазору.
Час нагріву визначаємо так само як для попереднього випадку[3,5,14]:
а) Коефіцієнт передачі тепла теплопровідністю :
αпов = λпов�ℎ , (4.13)
пов

α = λпов� = 0,025� 12,5 Вт
пов ℎпов (2 ⋅10−3) = �м2⋅К.
а) Відношення коефіцієнтів теплопередачі у воді та повітрі:
α = α����
���� � α����, (4.14)

α = α����� α = 2604
���� ���� �33,6 = 77,5.
б) Відносний коефіцієнт теплопередачі:
α ����пов
пов` = ���������, (4.15)

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 34

αпов` = ����пов� = 92,44
�������� �33,6 = 2,75;

в) Параметр VT:
���� = (��������0,5 − 1)
����0,5 ����������0,5 �0,01 + 0,99�������������0,5� − 1� =
= (77,5 − 1)
�
�77,5 �0,01 + 0,99�0,066� − 1� = 15,81;

���� = (��������0,9 − 1)
����0,9 ������ 0,99
����0,9 �0,01 + �������������0,9� − 1� =
= (77,5 − 1)
��77,5 �0,01 + 0,99
�0,083� − 1� = 12,45.

г) Уявні коефіцієнти теплопередачі:
(���� )−1 = �1
пов0,5 �0,99���� � (1 + �(�������� − 1)�����пов� − 0,01�������� =
����
= �1�0,99 ∙ 15,81� (1 + �(15,81 − 1)�2,75� − 0,01 ∙ 15,81 = 0,41,

(���� −1 1 (�������� − 1)
пов0,9) = � �0,99���� � (1 + � �����пов� − 0,01�������� =
����
= �1�0,99 ∙ 15,81� (1 + �(15,81 − 1)�2,75� − 0,01 ∙ 15,81 = 0,42.

д) Час (tXi) виходу на рівень 0,5 і 0,9 від усталеного значення температури
для алюмінію і діелектрика : τ0,5 = 46,74 c, τ0,9 151,2 c.
Порівнявши τ1-0,5 =76,7 с і τ2-0,5 =151,2 с, можна зробити висновок, що слід
вибрати варіант конструкції теплового датчика з формуванням структури
чутливого елемента на анодованому алюмінії. Виходячи з цього, розрахунок
похибки нагріву для конструктивно-технологічного варіанту теплового датчика з
чутливим елементом на полімерній мембрані є не доцільним.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 35

Таким чином, в результаті попередніх розрахунків можна зробити наступні
висновки
1.Розглянуто два консгруктівно-технологічних варіанту теплового датчика:
перший - з чутливим елементом на пікладці з анодованого алюмінію; другий - з
чутливим елементом на тонкій полімерній мембрані. Для кожного варіанта була
запропонована модель теплопередачі до чутливого елементу і були розраховані
часові характеристики. Розрахунки показали, що для термометра з чутливим
елементом на підкладці з анодованого алюмінію час вимірювання температури
складе близько 77 с, що в два paза нижче відповідного показника для термометра з
чутливим елементом на полімерній мембрані Похибка нагріву для чутливого
елемента на підкладці з анодованого алюмінію складе 0,088 К.
2.При зменшенні товщини алюмінієвої підкладки в 2 рази і відсутності шару
діелектрика на стороні підкладки, зверненій до досліджуваного об'єкта, за оцінками
час вимірювання і похибка нагріву зменшаться на третину.
3.Для реалізації вимог технічного завдання на час і точність вимірювання
доцільно використовувати теплової датчик з чутливим елементом на підкладці з
анодованого алюмінію.

4.2 Розрахунок генератора
Розрахунок генератора імпульсів
Одновібратор виконано на мікросхемі К140УД1Б. Тривалість імпульсу на
виході цього одновібратора визначається виразом:
ti = 0.5 RС при С > 0,01 мкФ,
де RС - ланцюг, який задає тривалість. У нас C3R18. Приймаємо величину
ємності С3 = 680 пФ, а конденсатор типу: Км 46- 1680 пФ ±10%.
Визначаємо величину опору резистора R18, виходячи з того, що тривалість
вихідного імпульсу повинна бути: ti = 0.7 мс. Тоді маємо[22]:
����18 = �������� �0,5 · С3, (4.16)

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 36

−6
����18 = �������� � 7 ∙ 10
0,5 · С3 = �0,5 ∙ 0,01−6 = 5200 Ом.
Остаточно приймаємо:

R3→МЛТ - 0,125 - 5,1 кОм ±5%.

Розрахунок диференціюючої ланки генератора[22].
В даному вузлі ми маємо диференціюючу ланка: С4R16. Відомо, що ланцюг
називається диференціюючим, якщо його стала часу багато менша тривалості
диференціюючого імпульсу, тобто
τ << t i = 0.7 мс.
Задаємося сталою диференціонування:
τ 1 = τ 2 = 1 мкс , тобто ti =26τ
При цьому тривалість диференціонування буде дорівнювати:
����диф = 0,7 ����, (4.17)

����диф = 0,7 ���� = 0,7 · 1 = 0,7 мкс = 700 нс .

Задаємося величиною ємності С4 = 20 пФ і визначимо величину опору R16.
����
����16 = диф �0,7 · С1, (4.18)

����
����16 = диф � 0,7 ∙ 10−6
0,7 · С1 = �0,7 ∙ 20 ∙ 10−12 = 50000 Ом.

Остаточно приймаємо[16]:
С3 → К10 -17 -20 пФ±10%,
R16 → МЛТ -0,125-51 кОм±5%.
Розрахунок схеми скиду
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 37

Короткий імпульс скиду формується інтегруючим ланцюгом R9С2.
Виходячи із закону комутації, в момент включення живлення Uc6 = 0. По мірі
заряджання конденсатора С2 напруга на ньому зростає за законом:

��������к = Е (1–е
п − ���������), (4.19)

де t - час заряджання; τ = R9С2.
Порогова напруга спрацьовування мікросхеми дорівнює[22]:
����пор ≥ ����ж �2 , (4.20)

���� ≥ ����ж
пор � = 9
2 �2 = 4,5 В.
З формули (4.19) :
е−���� ����� = Е − ��������6
ж �Е , (4 .21)
ж

де приймаємо: Uc6= Uпор = 4,5 В; Еж = 9 В. Після перетворення отримаємо:
τ = 1,44·t
Приймаємо тривалість імпульсу скиду: tск= 1·10-6 с = 1 мкс .
Тоді маємо:
τ= R9·С2 = 1,44 · 10-6 = 1,44 мкс.

Виходячи із схемотехніки приймаємо величину опору резистора R9
рівною:
R9 = 51 кОм.
Тоді отримуємо:
С2 = 1,44·10-6 /R8= 1 ,44 ·10-6/51 ·10-3 = 0,03 · 10-9 Ф.
Остаточно приймаємо[16]:
R49→ МЛТ -0,125-51 К ±5%.
С2→ К10 - 17 -30 пФ ± 10%.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 38

4.3 Розрахунок блоку живлення
Приймаємо загальну потужність Р заг = 20 Вт, на яку повинен бути
розрахований трансформатор. Визначимо потужність, яку вживає випрямляч від
мережі. При цьому слід врахувати, що в трансформаторі будуть мати місце витрати
на нагрів провода обмоток та сердечника. Тому к. к. д. силового трансформатора
складає η = 70 – 80%. Крім цього, деяка частина потужності буде розходитися в
дроселі або опорі фільтра. Приймаємо η ТР = 70% та потужність Р = 3 Вт, знайдемо
потужність, котру вживає випрямляч від мережі (Р)

���� = ����заг + ����П�����ТР, (4.22)

де Р заг - загальна потужність трансформатора, Вт;
Р П - потужність, яка втрачається, Вт.

���� = 20 + 3�0,7 = 3,3 Вт.

Площина перерізу сердечника трансформатора з трансформаторної сталі
визначають, виходячи з потужності, вживаємої випрямлячем від мережі живлення,
по формулі[11-13]::
���� = �����заг, (4.23)

���� = �����заг = √20 = 4,47 см 2 .

Знаючи площину перерізу сердечника можна визначити неідн число витків
(N) кожної обмотки трансформатора, що приходятся на 1 В напруги.
Для трансформаторів невеликої потужності існує приближена
залежність[11-13]::

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 39

���� ∙ ���� = 60 ↔ ���� = 60�����, (4.24)
де N – число витків обмотки трансформатора.
Звідси:
���� = 60�7,6 = 7,9 витків/В.

Знайдемо число витків (W) кожної обмотки трасформатора. Для цього
потрібно перемножити величину напруги, діючої на відповідну обмотку, число N
Це правило спраедливе для всих обмоток. Кількість витків мережевої обмотки для
напуги 220 В складає[11-13]::
����1 = �������� ∙ ����, (4.25)

де U м - напруга діюча на обмотку, В.

����1 = �������� ∙ ���� = 220 ∙ 7,9 = 1738 витків.

З урахуванням втрат напруги в фільтрі, на внутрішньому опорі та обмотках
трансформатора напруга на обмотці W 2 повинна бути рівною:

����2 = �������� ∙ ����, (4.26)

де U м - напруга діюча на обмотку; U м = 27В.
З урахуванням втрат напруги в фільтрі, на внутрішньому опорі та обмотках
трансформатора напруга на обмотці W 3 ( порядка 10 % ), то кількість витків
становить:
����2 = �������� ∙ ���� = 220 ∙ 7,9 = 1738 витків.
Визначаємо діаметр провода обмоток. Розрахунок ведемо по допустимій
плотності струму. Для трансформаторів потужністю до 100 Вт при використанні
обмоточного проводу в звичайній емалевій ізоляції допустима плотність струму
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 40

дорівнює 1 А на квадратний міліметр площини перерізу провода. Виходячи з
цбого діаметр провода для кожної обмотки розраховують по формулі[11-13]: :
���� = √���� , (4.27)
де d – діаметр, мм;
I – струм в обмотці, А.
Струм в мережевій обмотці при підключенні до мережі 220 В визначається
за формулою:
���� − ���������, (4.28)

���� − ��������� = 20�27 = 0,74 ����.

Діаметр проводу обмоток ( без ізоляції ) дорівнює:
����1 = 0,8√0,46 = 0,54 мм;

����2 = 0,8�0,27 = 0,42 мм;

����3 = 0,8√2 = 1,13 мм.
Вибираємо провід ПЭВ – 1. Для нашого прикладу провід з ізоляцією буде
мати наступні значення діаметрів[11-13]::
����1 = 0,58 мм;

����2 = 0,46 мм;

����3 = 1,2 мм.
Вибираємо тип сердечника трансформатора[11-13]:.
Найбільш широко використовуються пластини типу Ш та УШ. При виборі
сердечника для трансформатора потрібно наближатися до того, щоб відношення
ширини середнього стержня α до товщини набору с складало б 5 : 6. В цьому
випадку
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 41

���� = 0,9√����, (4.29)

���� = 1,1√����, (4.29)

де S – переріз сердечника. Для нашого прикладу.
���� = 0,9√���� = 0,9 ∙ √7,6 = 2,48 см.
Таким чином, для набору сердечника можна використати стандартні
пластини типу Ш . Товщина набору складе:
���� = 1,1√���� = 1,1 ∙ √7,6 = 3 см.
Перевіримо можливість розміщення всих обмоток у вікні сердечника.
Число витків в шарі обмотки підраховується по формулі[11-13]::
(ℎ − 2(���� + 2))
���� = карк
сл �(���� ∙ ���� ), (4.30)
із
де h – висота вікна, мм;
δ карк - товщина провода каркаса, м;
α – коефіцієнт неплотності, котрий залежить від діаметру провода обмотки;
d - діаметр проводу обмотки з ізоляцією, мм.
із
Знайдемо кількість витків в шарі кожної обмотки[11-13]::
(ℎ − 2(����карк + 2))
���� = � (65,5 − 2(1 + 2))
сл (���� ∙ ���� ) = �
із (1,1 ∙ 0,58) =
= 89 витків;

(ℎ − 2(����
���� = карк + 2))� = (65,5 − 2(1 + 2))
сл (���� ∙ ����із) �(1,1 ∙ 0,46) =
= 51 виток;

(ℎ − 2(���� + 2))
���� = карк � = (65,5 − 2(1 + 2))
сл (���� ∙ ���� ) �
із (1,05 ∙ 1,2) =
= 45 витків.
Число шарів для кожної обмотки складе[11-13]::
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 42

���� = ��������� , (4.31)
ш
де W – кількість слоїв обмотки;
W сл - кількість витків в слої цієї обмотки.
В нашому випадку:
���� = 1738
1 �89 = 12;

���� = 256
2 �51 = 5;

���� 174
3 = �45 = 4.
Товщина кожної обмотки:
����об = ����(����із + ����із) + ����із, (4.32)
де δ об - товщина ізоляції між слоями;
δ із - товщина прокладки між обмотками;
����об1 = 12(0,58 + 0,05) + 0,2 = 7,76 мм;

����об2 = 5(0,46 + 0,05) + 0,2 = 2,75 мм;

����об3 = 4(1,2 + 0,05) + 0,2 = 1,6 мм.
Загальна висота всіх обмоток складе:
����заг = ∑ ����об + ∑ ����карк, (4.33)

����заг = 7,76 + 2,75 + 1,6 + 1 = 13,11мм.
Таким чином, приймаємо найближче стандартне значення ширини вікна
сердечника – 15 мм. Відповідно провідники і обмотка розмістяться у вікні, тобто
розрахунок зроблено вірно.
b>δ общ , (4.34)

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 43

Перетворення змінного струму в постійний проводиться за допомогою
напівпровідникових діодів.
Струм через діоди становить[11-13]:
����д1 = ���� = ����н
д2 �2, (4.35)

���� ����н 0,5
д1 = ����д2 = �2 = �2 = 0,25 А.
Вибираємо два діоди Д814А, який забезпечує випрямлений струм т
Іпр=3,5 А, що витримує зворотне напруга 70 В, пряме падіння напруги Uпр=0,9
В, зворотний струм Iоб = 0,8 мА, поріг випрямлення Епор = 0,35 В. [11-13]:
Прямий опір діода
����пр − ����
���� пор
д = ����� , (4.36)
пр

���� = 0,9 − 0,35
д �35 = 0,16 Ом.

Для згладжування пульсацій, що залишаються після випрямлення,
використовуються схеми фільтрації. У схемі використовуємо Г – подібний RC
фільтр.
Знайдемо напругу на вході фільтра
U вх.ф =U н + 4 =16+ 4 = 20В. (4.37)

Визначимо опір електричного фільтра за формулою:
Rф = (0,15...0,25) ⋅Rн = 0,2 ⋅32 = 6,4Ом. (4.38)
Ємність конденсатора, який входить до складу фільтра знаходимо за
формулою[11-13]::
���� = ��������
ф � ����н −6
2���� ∙ ���� ∙ ���� ∙ ���� ∙ ( ����� ) ∙ 10 , (4.39)
ф н + ����ф
де f - частота мережі, 50 Гц.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 44

m - відношення частоти пульсацій основної гармоніки до частоти
мережі
Rф - опір електричного фільтра.
Rн - опір навантаження.
���� = ��������� ∙ �����н� � ∙ 10−6
ф 2���� ∙ ���� ∙ ���� ∙ ����ф ���� =
н + ����ф
0,15 ∙ (16 + 3) ∙ 10−6
�2���� ∙ 50 ∙ 6,4 ∙ 32 = 70 мкФ.
В якості інтегрального стабілізатора для фіксації напруги живлення
вибираємо К142ЕН1 з параметрами[11-13]:: Uвх = 20 ... 40 В, Uвих = 12 ... 30 В,
максимальний струм пропускається Imax = 0,1 А, максимальна Розсіювана
потужність Pmax = 0,8 Вт, коефіцієнт нестабільності напруги = 0,5.
Струм транзистора визначаємо як
I = Iн + I вх = 0,5+ 0,006 = 0,506А, (4.40)
де Iвн – струм, споживаний схемою стабілізатора, становить 0,006 А.
Визначимо мінімальну напругу на вході стабілізатора. Воно повинно бути:
U 01min ≥U 0вых +U кэmin +U n , (4.41)
де Uп – амплітуда пульсацій на вході стабілізатора;
Uке min – мінімальне падіння напруги на відкритому транзисторі.
U n = 0,1⋅ (U 0вых +U кэ min ) = 0,1⋅ (16 + 2) =1,7В, (4.42)
Отримуємо

U01 min ≥ 16 + 2 + 1,7 = 18,7 В.

Максимальну розсіювану потужність на транзисторі можна розрахувати як
Рк = I к ⋅ (U 01max −U вых ) =1,006 ⋅ (21,6 −15) = 6,64Вт, (4.43)

За знайденими значеннями вибираємо транзистор КТ815Б з наступними
параметрами Uк е. max = 100В, Ік max = 20 A, Pk max = 125Вт, h21 е. min = 850, h21 е. max =
18000.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 45

Визначимо струм бази транзистора за формулою
���� ��������
б ������������ = �ℎ , (4.44)
21 ���� ������������

���� 1,006
б ������������ = �850 = 0,001А.
Щоб транзистор при номінальному струмі навантаження був закритий і не
впливав на роботу стабілізатора, а відкривався лише при Iн = Iпор, пороговий струм
повинен помітно відрізнятися від номінального значення.
I пор = 2,2 ⋅ I ном = 2,2 ⋅0,5 =1,1А, (4.45)
Опір R1 визначає напругу на емітерний перехід транзистора. Цю напругу
пропорційно струму навантаження, оскільки резистор R3 включений послідовно з
нею
����1 = 0,5����� , (4.46)
пор

���� = 0,5
1 �1,1 = 0,45 Ом.
Вихідний конденсатор С2 також як і С1 підвищує стійкість стабілізатора і
зменшує пульсації на виході. Виробник мікросхеми К142ЕН1 рекомендує ємність
конденсатора С1 = 0,1 мкФ. Подібну ємність можна використовувати і для
конденсатора С2. Тип конденсаторів К73 - 24.

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 46

5 Технологічний розділ

5.1 Використання друкованих плат
В значній мірі техніко-економічні показники і якість виготовленої продукції
залежать від підготовки виробництва, найважливішою складовою якої є
проектування технологічних процесів.
Підвищення кількості механізованих і автоматизованих знарядь
виробництва і їх безперервне вдосконалення підвищувало вимоги до
технологічного проектування і стало основою створення правил і методик
розробки технологічних процесів. На початку 80-х років була створена Єдина
Система Технологічної Документації (ЄСТД) і Єдина Система Підготовки
Виробництва (ЄСПВ). В теперішній час технологічне проектування – це
комплексна система взаємодії систем і розмірів, що обумовлюють створення
високоякісної технологічної документації на основі широкого використання
стандартних технологічних рішень.
Використання друкованих плат (ДП) у приладобудуванні, обчислювальній
техніці і автоматиці забезпечує заміну значної частини ручних операцій
машинними операціями, що допускають використання напівавтоматичних і
автоматичних установок, автоматичних поточних ліній і автоматизованих засобів
контролю.
Друкований монтаж дозволяє скоротити матеріальні і трудові затрати, що
пов’язані з використанням у великих кількостях конструктивних і з’єднувальних
деталей, а також значно скоротити об’єм контрольно-випробувальних операцій.

5.2 Класифікація методів конструювання та виготовлення друкованих
плат
При конструюванні приладів на ДП використовуються наступні методи:
Моносхемний використається для нескладної апаратури. У цьому випадку
вся електрична схема розташовується на одній ДП. Моносхемний метод має
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 47

обмежене застосування, тому що дуже складні ДП незручні при налагодженні й
ремонті даних приладів.
Схемно-вузловий метод застосовують при використанні масової й серійної
апаратури. При цьому методі частина електричної схеми, що має чіткі вхідні й
вихідні ланцюги розташовується на окремій ДП. Ремонтна здатність таких виробів
більша. Недолік− складність системи сполучних проводів, які з'єднують окремі
ПП[18-19]:.
Функціонально-вузловий метод застосовують в апаратурах з використанням
мікроелектронних елементів. При цьому використають багатошарові друковані
плати (БДП), що поєднують у єдину конструкцію кілька шарів друкованих
провідників, які розділені шарами діелектрика.
Методи виготовлення одно- і двосторонніх ДП, гнучких ДП і гнучких
друкованих кабелів класифікують за принципом провідного малюнка й способу
формування зображення малюнка ДП.
Відомі наступні методи одержання провідного малюнка ДП[18-19]::
1. Хімічного травлення (хімічний), що полягає у вибірковому травленні
ділянок провідної фольги або іншого провідного матеріалу нанесеного на
поверхню заготовки ДП;
2. Механічного видалення пробільних ділянок заготовки ДП, які мають
рельєфну поверхню із провідним малюнком в основі плати;
3. Гравірування (фрезерування) лакованої заготовки ДП;
4. Адитивний, що ґрунтується в осадженні на спеціальну підготовлену
поверхню основи ДП металевого провідного покриття за рахунок хімічного
відновлення металу з розчину солі;
5. Напівадитивний (електрохімічний), якщо провідний малюнок виходить за
рахунок гальванічного нарощування нижнього шару металу на діелектричній
основі, металізована хімічним методом;
6. Переносу, якщо провідний малюнок одержують на тимчасовій основі,
наприклад, з нержавіючої сталі будь-яким методом, при цьому друковані
провідники спочатку формуються електрохімічним методом, потім основу із
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 48

провідниками притискають до покритого клеєм діелектричної основи. Під тиском
і підігріві друковані провідники переносять на діелектричну основу;
7. Випалювання струмопровідних паст у термостійку основу, при цьому на
поверхні, наприклад, керамічної плати, наносять пасти або фарби, які вміщають
вуглекисле срібло, потім їх піддають термічному опаленню при температурі більше
600 ºС. У результаті срібло відновлюється, що утворює друковані провідники, які
мають велике зчеплення з основою;
8. Вакуумної металізації або катодного розпилення, якщо провідна плівка
осаджується на діелектричній основі в умовах вакууму шляхом впливу
електричного поля;
9. Шопірування, це розпилення в повітрі інертних часточок розплавленого
металу, які осаджуються на основу ПП;
10. Штампування, струмопровідний малюнок наноситься на діелектричну
основу механічним способом, тобто вирубка рельєфним штампом фольги з
одночасним врізанням крайок металу в основу;
11. Металізації за допомогою металевих порошків;
12. Комбіновані, що представляють об'єднання вище перерахованих
методів, наприклад, хімічного й електрохімічного методу.
Провідний малюнок ДП можна одержати й іншими методами, зокрема, за
допомогою електрохімічної й електрофізичної обробки лакованої основи, шляхом
вибуху металевого дроту або нанесенням металевих порошків на поверхню
вибуховою хвилею в спеціальних пристроях.
У виробництві ДП широко застосовують наступні способи формування
малюнка[18-19]::
1. Фотографічний, використання різних видів активних випромінювань для
експонування світлочутливих матеріалів нанесених, на основу ПП;
2. Офсетний (друкований) - виготовлення офсетних форм і друкування за
їхньою допомогою позитивного й негативного зображення малюнка на заготовці ДП;
3. Сіткографічний (трафаретного або сітчастого друку) - використання для
друку позитивного або негативного зображення малюнка ДП сітчастого трафарету;
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 49

4. Тиснення (пресування) - створення рельєфної поверхні основи ДП із
утопленого у неї провідного малюнка.
5. Штампування, вирубування малюнка друкованих провідників з листів
фольги спеціальним штампом;
6. Ксерографічний - проектування позитивного або негативного зображення
малюнка ДП на пластину з напівпровідниковим шаром, зарядженим до певного
потенціалу; сховане зображення при цьому електростатично проявляється за
допомогою заряджених пігментних порошків, переносяться на основу ДП за
допомогою проміжної підкладки й паяються;
7. Гравірування (фрезерування) - одержання малюнка друкованих
провідників фрезеруванням між ними канавок на поверхні фольгованих заготовок
за допомогою пристрою, що стежить за координатами;
8. Малювання - одержання позитивного або негативного зображення
малюнка ДП у ручну за допомогою кисті, плакатного пера, трафарету та інше.

5.3 Норми й вимоги до конструювання друкованих плат
Конструювання ДП складається з наступних основних етапів[18-19]::
1. Вивчення технічного завдання на розробку приладу;
2. Визначення конфігурації й габаритних розмірів ДП;
3. Визначення раціонального взаєморозташування електрорадіоелементів
на ДП;
4. Трасування з'єднань плати;
5. Перевірка провідного малюнка ДП;
6. Розробка конструкторської документації відповідно до вимог Єдиної
системи конструкторської документації (ЄСКД) і зазначених вище нормативних
документів.
Провідний малюнок ДП, розроблений у результаті трасування з'єднань,
повинен задовольняти наступним вимогам: відповідати принциповій електричній
схемі; всім конструктивним, технологічним й електричним вимогам; забезпечувати
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 50

нормальну роботу схеми при відповідних умовах експлуатації й зручність збірно-
монтажних і регулюючих робіт.
Друковані плати по щільності провідного малюнка діляться на чотири
класи[18-19]::
1. Перший характеризується найменшою щільністю провідного малюнка;
2. Другий і третій - підвищеною щільністю;
3. Четвертий - найбільшою щільністю.
При наявності елементів провідного малюнка різних класів плат необхідно
відносити до більш вищого класу. Для ОДП і ДДП, виготовлених хімічним
методом, четвертий клас щільності не застосовують. Для будь-яких плат
переважним є перший клас щільності провідного малюнка, третій клас не
рекомендується використати на платах з розмірами більше 240Х240 мм, а
четвертий клас - на платах з розмірами більше 170Х170мм.
Вимоги до основних розмірів. Застосування плат більших розмірів і
складної геометричної форми не рекомендується у зв'язку з маленькою механічною
міцністю, складності обробки й головним чином у зв’язку з виникненням значного
жолоблення, які виникають у процесі технологічного циклу виготовлення.
Основні розміри й крок координатної сітки повинні відповідати ГОСТ
10317: крок координатної сітки 2,5; 1,25; 0,5 мм; розмір кожної сторони друкованої
плати повинен бути кратної 2,5 при довжині до 100 мм, 5 при довжині до 350 мм,
10 при довжині більше 350мм. Максимальний розмір кожної зі сторін повинен бути
не більше 470 мм, а допуски на лінійні розміри сторін вибирають згідно СТ СЕВ
144. Співвідношення лінійних розмірів кожної зі сторін не повинне бути 3:1.
Відхилення від прямокутності ДП не повинне бути більше 0,2 мм на 100 мм
довжини.
Товщина ОДП визначається товщиною обраного матеріалу. Рекомендуємі
товщини плат 0,8; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 мм. Граничні відхилення від сумарної товщини
ОДП визначається допуском на товщину матеріалу плати й допуском на товщину
гальванічного покриття, а граничне відхилення на товщину ГПП визначається
допуском на товщину матеріалу.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 51

Вимоги до розташування розмірів отворів. Центри всіх отворів на
друкованій платі, що враховують кріплення, повинні розташовуватися у вузлах
координатної сітки. Центри отворів, призначені для багатовивідних елементів
(мікросхеми, реле, і т.п. які з конструктивних особливостей не попадають у вузли
координатної сітки) розташовуються відповідно до розмірів, які зазначені в
нормативній документації на ці елементи (ГОСТ, ТУ, креслення та інше). Центр
отвору, прийнятий за основний, повинен розташовуватися у вузлі сітки, інші
отвори для цього елемента повинні по можливості розташовуватися на
вертикальних або горизонтальних лініях координатної сітки.
Розміри й конфігурацію кріпильних й інших конструктивних і
технологічних отворів необхідно вибирати за ДСТ 11287 залежно від вимог до
конструкції й технології виготовлення виробу. Центри цих отворів також по
можливості необхідно розташовувати у вузлах координатної сітки.
Шорсткість поверхонь монтажних не металізованих отворів і торців ПП
повинна відповідати ГОСТ 2789 Rz ≤ 80, а для металізованих поверхонь Rz≤40.
Металізовані отвори необхідно виготовляти без зенкирування.
Розміри контактних площадок вибирають із урахуванням механічних
навантажень і маси елементів, які встановлюються на ПП. Оскільки існують
обмеження по масі елементів, які встановлюються на ПП, то в більшості випадків
необхідна віброізоляція.
При збільшенні контактної площадки збільшується якість паяних з'єднань,
зменшується можливість їхнього відриву від основи плати як при виробництві, так
і при експлуатації (сила зчеплення фольги з основою 25-30 кг/див2).
Вимоги до розмірів і розташування провідників. Важливим параметром для
друкованого провідника є його ширина, що залежить від припустимої щільності
струму, припустимої температури нагрівання при максимально припустимому току
навантаження, від товщини шару фольги, роздільну здатність технологічного
оснащення.
Внаслідок того, що друковані провідники мають добрий тепловий контакт
із середовищем і діелектричною основою, вони витримують значну більшу
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 52

щільність струму в порівнянні із про’ємними провідниками. Наприклад, щільність
струму миттєвого згоряння для друкованого провідника, отриманого травленням,
становить 60 А/мм2, а для про’ємного мідного провідника - 15 А/мм2. Для
найпоширеніших у промисловості фольгованих діелектриків товщина фольги
становить 35 й 50 мкм. При розрахунку відстані між провідниками необхідно
враховувати припустиму напруженість поля, що рівняється 1кВ/мм.
Для застереження утворення залишків припою, рекомендується по
можливості витримувати зазор 1-1,5 мм між провідниками, а також між
провідником і контактною площадкою.
При конструюванні ДП можливо використати навісні перемички у випадку
неможливості реалізації зв'язку схеми друкованих провідників, але кількість цих
перемичок не повинне перебільшувати 5% від числа зв'язків. Дозволяється
застосування об'ємних екранованих провідників.

5.4 Вибір матеріалу та розрахунок розмірів заготовки
Матеріали, що використовуються в якості основи для друкованих плат,
повинні мати сукупність певних якостей. До їх числа відносять високі
електроізоляційні якості, достатня механічна міцність та ін. Всі ці якості повинні
бути стабільними при дії агресивного середовища і змінних кліматичних умовах.
Крім того, матеріал плати повинен забезпечувати її добре зчеплення з
струмопровідним покриттям , мінімальне короблення в процесі виробництва та
експлуатації. Якщо плати виготовляються з листових матеріалів, то останні
повинні допускати можливість обробки різанням і штампуванням.
В якості матеріалів основ друкованих плат використовують фенопласти,
листові електротехнічні і листові фольговані матеріали, кераміку і гнучку
фторопластову плівку.
Згідно завдання і технічним вимогам, обираємо для заготовки матеріал
фольгований склотекстоліт марки СФ2 – 35 – 1,5 (ГОСТ 10316 – 91). Його основні
властивості: шаруватий пресований пластик, виготовлений з склотканини (ГОСТ
8481-61), просочений модифікованою фенолальдегідною смолою, і облицьований
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 53

з обох сторін красно-мідною фольгою у вигляді листів товщиною 0,8 – 3 мм і
розміром не менше 400×600 мм. Робоча температура від − 60° до + 80°С.
Матеріал штампується і піддається механічній обробці  розпилюванню,
свердлінню, точінню, фрезуванню, а також паянню при монтажі.
На основі всіх цих якостей обираємо саме цей матеріал для виготовлення
друкованої приладу вторинного сигналізатора полум’я.
Основні показники фольгованого склотекстоліту СФ2 – 35 – 1,5:
– щільність 1,9 ÷ 2,9 г/см3;
– межа міцності на розтягування 2000 кгс/см2;
– водопоглинення (не більше) 3 %;
– питомий поверхневий електричний опір 1012 Ом;
– питомий об’ємний електричний опір 1013 Ом ∙ см;
– тангенс кута діелектричних втрат при частоті 106 Гц не більше 0,045;
– діелектрична проникливість при частоті 106 Гц не більше 6.
Так як фольгований склотекстоліт СФ2 – 35 – 1,5 – це шаруватий матеріал,
то він по самій своїй природі відносно чуттєвий до проникнення вологи.
Волога проникає в матеріал головним чином через торцеві частини листа.
Однак, якщо поверхня основи має механічне або хімічне пошкодження, абсорбція
може відбуватися і через поверхню. Тому для зменшення впливу вологи на роботу
друкованої схеми і надання друкованому вузлу більшої міцності рекомендується
друковані вузли покривати захисними шарами лаку.
Для нашої друкованої плати будемо використовувати лак марки УР 231
(ОСТ 4.ГО.028.001). Він використовується для захисту друкованих плат з метою
збільшення їх вологостійкості і при роботі при температурі навколишнього
середовища до +50 °С. Добрі захисні якості забезпечує п’ятишарове покриття цим
лаком при загальній товщині його в 140 мкм.
Заготовку варто одержувати вирубкою або відрізанням на роликових чи
гельйотинових ножицях. Стандарт нормує ширину технологічного поля для ОДП і
ДДП до 10 мм, для БДП – 30 мм.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 54

Розміри заготовки Аз (Вз) визначаються за формулою[18-19]::
Аз = Аn+2∙Н, (5.1)
де An (Вn) - довжина (ширина) оброблюваної ДП згідно робочого
креслення, мм;
Н - ширина технологічного поля, мм.
Довжина та ширина оброблюваної ДП згідно робочого креслення Аn =
120мм, Вn = 233 мм, а ширина технологічного поля Н = 10 мм:
Аз = 107,5 + 2∙10 = 127,5 мм,
Bз = 90 + 2∙10 = 110 мм.

5.5 Розрахунок параметрів електричних з'єднань друкованих плат
Розрахунок друкованого монтажу складається із трьох етапів: розрахунок
по постійному й змінному струмі й конструктивно – технологічного.
1. Вибираємо хімічний метод виготовлення і клас 3-й точності ДП, виходячи
з технологічних можливостей виробництва
2. Визначаємо мінімальну ширину друкованого провідника по постійному
струму для ланцюгів живлення й заземлення[18-19]::
b I
max
min = j ⋅ t , (5.2)
доп
де Imax − максимально постійний струм, що протікає в провідниках
(визначається з аналізу електричної схеми й елементної бази ДП);
jдоп − допустима щільність струму, вибирається залежно від методу
виготовлення;
t − товщина провідника, мм.
b 0,05
min = = 0,07
20 ⋅ 0,035 .
3. Визначення мінімальної ширини провідника, мм, виходячи із
припустимого спадання напруги на ньому:
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 55

b
ρ ⋅ I
= max ⋅ l
min U ⋅ t , (5.3)
доп
де ρ − питомий об'ємний опір;
l − довжина провідника, м (виходячи з розмірів ДП і загальної кількості
друкованих провідників);
Uдоп − допустиме спадання напруги, визначається з аналізу електричної
схеми. Допустиме спадання напруги на провідниках не повинне перевищувати 5%
від напруги живлення мікросхем і не більше запасу поміхостійкості мікросхем.
b 0,05 ⋅ 0,05 ⋅ 0,07
min = = 0,11
0,45 ⋅ 0,035 .
4. Визначаємо мінімальне значення діаметрів монтажних отворів d:
d = dЕ + ∆dН.В.  + r, (5.4)
де dЕ − максимальний діаметр виводу электро-радиоэлемента (ЭРЭ), що
встановлюється;
∆dН.В. − нижнє відхилення від номінального діаметра отвору;
r - різниця між мінімальним діаметром отвору й максимальним діаметром
виводу ЭРЭ (вибирається в границях 0,1..0,4 мм). Розрахункове значення d зводять
до переважного ряду отворів, мм: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,9; 1,0; 1,1; 1,3; 1,5; 1,6; 1,7;
1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0.
d = 0,6 + 0,01 + 0,3 ≈ 0,8.
5. Розраховуємо діаметри контактних площадок[18-19]:.
Мінімальний діаметр контактних площадок для ОПП і внутрішніх шарів
БПП, виготовлених хімічним методом:
Dmin = D1min + 1,5 hФ, (5.5)
де hФ − товщина фольги, мм;
D1min− мінімальний ефективний діаметр площадки, мм;
D1min = 2 (b + dmax/2 + δd + δp), (5.6)
де b − відстань від краю просвердленого отвору до краю контактної
площадки, мм;
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 56

dmax − максимальний діаметр просвердленого отвору, мм;
δd й δp −допуски на розташування отворів і контактних площадок.
D1min = 2 (0,6 + 0,9/2 + 0,07) = 1,12;
Dmin = 1,12 + 1,5 · 0,035 = 1,17.
Максимальний діаметр контактної площадки
Dmax = Dmin + (0,02...0,06) (5.7)
Dmax = 1,17 + (0,02...0,06) = 1,2

5.6 Виготовлення фотошаблонів та вимоги до них
Для виготовлення нашої друкованої плати викорисаемо електрохімічний
метод.
Виготовлення друкованих плат при сучасних засобах їх виробництва
починається з виготовлення чорно-білого оригіналу. Як правило, оригінал
представляє собою креслення, на якому металізовані ділянки зачорнюються.
Підготовлене креслення потім фотографують, отримуючи фотооригінал на скляній
фотопластині чи плівці. Копії з такого оригінала можна отримати одним з
наступних засобів[18-19]::
1) засіб виготовлення друкованої схеми безпосередньо з негативу;
2) трафаретний друк;
3) засіб виготовлення матриць для штампування і тиснення.
Для виготовлення нашої друкованої плати використовуємо засіб
виготовлення друкованої схеми безпосередньо з негатива. При використанні цього
метода фотомеханічного травлення негатив можна використовувати таким, яким
він отримується після процесу фіксажу. У випадку необхідності можуть бути
виготовлені копії негативу.
Звичайний метод креслення друкованих схем – графічне втілення оригіналу
чи фото оригіналу друкованої схеми за допомогою універсальних пристроїв
креслення і матеріалів.
Окрім звичайного метода креслення друкованих схем існують і інші:
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 57

1) метод креслення друкованих схем з використанням спеціальних
інструментів для креслення;
2) метод креслення друкованих схем з використанням набору шаблонів чи
трафаретів;
3) метод креслення друкованих схем за допомогою координатографа;
4) метод виконання креслень друкованих схем з використанням спеціальних
штампів;
5) метод виконання оригіналів друкованих схем за допомогою непрозорої
липкої стрічки;
6) метод виконання оригіналів друкованих плат за допомогою механічного
скребка.
Більш вірогідний у нашому випадку є метод креслення друкованих схем з
використанням спеціальних інструментів, так як цей метод дає можливість
скоротити час креслення контурів провідників і монтажних отворів, або зменшити
час їх заливки тушшю.
Використовуються такі інструменти, як: здвоєні олівцеві і тушеві циркулі і
рейсфедери, металічні і металевоскляні трубочки спеціальних видів і плакатні пера.
Для креслення і заливки криволінійних провідників, а також плавних
переходів ці інструменти використовують разом з лекалами.
Виготовлення первинного і робочого фотошаблонів.
Первинний фотошаблон отримують хімічною обробкою експонованих
фотопластинок, проконтролювавши наперед температуру робочих розчинів
термометром. Відлік часу обробки проводять за секундоміром.
Для виготовлення робочого фотошаблону використовують первинний
фотошаблон. Робочий фотошаблон отримують копіюванням первинного
фотошаблону на контактно-копіювальному верстаті та подальшій хімічній обробці
матеріалу. Перед копіюванням первинний фотошаблон необхідно протерти з боку
підложки серветкою, змоченою в етиловому спирті для видалення пилу, бруду,
жирових плям. Скло контактно-копіювального верстата необхідно протерти
антистатичною серветкою. Копіювання, а також освітлення для копіювання та
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 58

обробки пластин і фототехнічної плівки виконуються за допомогою фото ліхтаря з
червоним світлофільтром. Діазо графічні плівки копіюють і обробляють при
звичайному освітленні, не допускаючи освітлення матеріалу сонячними
променями або ультрафіолетовим випромінюванням. При копіюванні первинний
фотошаблон і матеріал прикладають один до одного й переносять до контактно-
копіювального верстата, причому емульсійний шар первинного фотошаблону і
світлочутливий шар матеріалу повинні безпосередньо стикуватись.
Експонування проводять через первинний фотошаблон на світлочутливий
матеріал. Виготовлення робочого фотошаблону на фототехнічній плівці ФТ-41П
здійснюється шляхом експонування на контактно-копіювальному верстаті
точковим джерелом білого світла та хімічної обробки експонованого матеріалу.
Виготовлення робочого діапозитива на діазографічній плівці ТМ
здійснюється так. Після експонування діазографічна плівка обробляється у
проявному пристрої у парах аміаку до максимального насичення кольору фото
зображення.
Типовий технологічний процес виготовлення фотошаблонів[18-19]::
1. Проявлення.
2. Промивання у проточній воді.
3. Зупинка проявлення.
4. Відбілювання.
5. Засвічування.
6. Промивання у непроточній воді.
7. Промивання у проточній воді.
8. Освітлення.
9. Промивання у проточній воді.
10. Проявлення.
11. Промивання у проточній воді.
12. Фіксування.
13. Промивання у непроточній воді.
14. Ослаблення (при необхідності, для виведення загальної вуалі).
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 59

15. Промивання у проточній воді.
Загальні технічні вимоги до фотошаблонів[18-19]:.
Фотографічне зображення у межах поля друкованої плати повинно бути
різким, чітким, без розмитостей і ореолів.
Фотошаблон повинен мати два або більше реперних знаки, які
використовуються для пробивки отворів у робочих фотошаблонах.
Несумісність двох робочих фотошаблонів однієї плати неповинна
перебільшувати 0,24 мм для плат Ι класу і 0,14 мм для плат ΙΙ класу.
Щілина між елементами провідникового рисунка фотошаблона повинна
бути не менше 0,325 мм.
Первинний фотошаблон отримують на розкреслювальному
автоматизованому пристрої методом розкреслювання.
Відхилення центрів контактних площинок від вузлів координатної сітки
становлять:
- для первинних фотошаблонів ± 0,10 мм плат класу Ι; ± 0,05 мм плат класу ΙΙ;
- для робочих фотошаблонів ± 0,12 мм плат класу Ι; ± 0,07 мм плат класу ΙΙ.
Фотошаблон виготовляється залежно від щільності провідникового рисунка
одноразовим, подвійним або триразовим викреслюванням, тобто провідникові
пробні рисунки плати викреслюються на фотопапері, а контрольний рисунок плати
– на фотопластинці або фототехнічній плівці.
Пробиття фіксуючих отворів здійснюється на спеціальному пристрої, який
має два орієнтуючих знаки, рознесених на відстань, що дорівнює відстані між
реперними знаками фотошаблону. Фотошаблон розміщують у пристрої для
пробиття. Здійснюють вакуумний притиск фотошаблону і пробивають отвори,
натискуючи пуансон пристрою.
Оскільки фотошаблон має лінійні деформації, зумовлені частковим
роздубленням фотографічної емульсії під час фотохімічної обробки, зміною
температури та вологості у приміщенні, то відстань між реперними знаками може
не співпадати з відстанню між орієнтуючими знаками пристрою. У такому разі їх
осереднюють. Для цього горизонтальні штрихи реперних і установлюючи знаків
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 60

зміщують, а відстань між прямовисними штрихами вирівнюють між собою
зрушенням фотошаблону.
Для формування елементів друкованого монтажу використовуються
магазин масок, що включає N масок – світлових плям.
Геометричні розміри масок для розкреслювання провідникового рисунка
повинні враховувати технологічні припуски й допуски, що забезпечують
виготовлення друкованих плат на конкретному виробництві (ОСТ 16 0.868.052-83).

5.7 Технічне нормування
Норму Тшт на операцію визначають по формулі[18-19]::
Тшт = Топ (1+к/100), (5.2)
де Toп - оперативний час;
к - коефіцієнт часу на організаційно технічне обслуговування робочого
місця, в %.
Розрахунок Топ наведений у таблиці 5.1

Таблиця 5.1 – Технічне нормування часу виконання операцій
N, п/п Найменування операції Час, хв.
1 2 3
1. Обезжирення плати 0,11
2. Декатування в пристрої 0,066
3. Нанесення світлочутливого шару 0,38
4. Експонування 0,67
5. Проявлення зображення 0,16
6. Фарбування зображення 0,10
7. Дублення хімічне 0,10
8. Зняття залишків світлочутливого шару 0,19
9. Ретушування зображення 2

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 61

Продовження таблиці 5.1
10. Витирання плати 0,14
11. Травлення в пазах барабана 0,15
12. Видалення ретуші 0,11
13. Видалення копіювального шару 0,25
14. Нанесення лаку зануренням 0,12
15. Обезжирення плати 0,11
16. Обробка у розчині двопористого сплаву 0,25
17. Активування 0,25
18. Хімічне міднення 0,62
19. Нейтралізація 0,066
20. Термічна шихтовка 0,08
21. Маркування ракелем 0.24
22. Обезжирення у віброустановці 0,09
23. Нанесення флюсу 0,12
24. Промивка (10 разів) 0,9
25. Сушка (7 разів) 0,82
26. Контроль (3 рази) 0,12

Тшт = 8,742 хв.

Вибір і розрахунок коефіцієнта часу на організаційно-технічне
обслуговування робочого місця наведений у таблиці 5.2.

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 62

Таблиця 5.2 – Коефіцієнт часу на організаційно-технічне обслуговування
робочого місця
Найменування елементів витрат робочого часу - до % від Топ
Розкладка, регулювання, п ромивання інструментів і 0, 6
пристосування на початку, протягом і наприкінці зміни.
Підготовка матеріалу протягом зміни. 0,4
Збирання робочого місця протягом робочого дня й після 1
закінчення зміни
Відпочинок й ос обисті потреби 4,8
усього 6,8
З урахуванням фізичної заря дки (одна перерва на 10 хв) 2, 5
На знаходження дефектів і ремонт 10
Усь ого 9, 3

5.8 Контроль
Контроль друкованих плат до установки радіоелементів необхідний і
визначається кількома факторами: достатньо більшим відсотком технологічного
браку друкованих плат після завершення гальванічних операцій по травленню
фольги і металізації отворів і механічних операцій по обрізці контуру; пресуванню
(для багатошарових плат) і склеюванню шарів; збільшенням працеємності
виявлення дефектів друкованого монтажу у змонтованих функціональних вузлах;
наявність відходу запаяних електрорадіоелементів при виправленні знайдених
дефектів монтажу; наявністю виходів з ладу електрорадіоелементів при
підключенні до електроживлення функціональних вузлів з прихованими
дефектами друкованого монтажу.
Незважаючи на різноманітність друкованих плат і функціональних вузлів
можна виділити три основні групи задач контролю друкованих плат[18-19]::
1) контроль друкованих з’єднань;
2) статистичний контроль змонтованих функціональних вузлів у робочому
стані на відповідність технічним вимогам;
3) оцінка функціональної придатності вузла.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 63

Перелічені задачі контролю переслідують наступні цілі: виявлення явних і
прихованих дефектів в друкованому монтажі до передачі плат під установку
електрорадіоелементів, виявлення хибно встановлених ЕРЕ, явних і прихованих
дефектів в запаяних ЕРЕ, перевірка карт режимів ЕРЕ.
Технічні вимоги для контролю друкованих плат[18-19]::
1. Перевірку габаритних розмірів друкованих плат використовують
вимірювальну лінійку, або штангенциркуль. Складний профіль плати перевіряють
шаблоном;
2. Розміри монтажних і отворів, що підлягають металізації, перевіряють
за допомогою калібрів-пробок. При необхідності користуються мікроскопом;
3. Перевірку кількості і розташування отворів на відповідність кресленню
проводимо за допомогою трафарету-плати. В якості трафарету-плати
використовують плату з просвердленими і перевіреними на відповідність
кресленню отворами. Плату, що контролюється, суміщують з трафаретом-платою
по фіксуючим отворам і проводять контроль візуально.
4. Відсутність обривів ланцюгів і замикань між ланцюгами перевіряють
на установці автоматичного контролю друкованих плат.
Найпростішою задачею контролю якості друкованих плат є виявлення
обривів друкованих провідників і замикань між друкованими провідниками.
Критерії якості для оцінки плат, що контролюються. Опір ланцюга, що
контролюється, Rц не більше R1 і опір ізоляції Rи між ланцюгами не менше R2. В
залежності від призначення плати критерії R1 і R2 задаються для всіх ланцюгів
конкретного типу плат.

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 64

6 Спеціальний розділ

6.1 Економічне обґрунтування розробки системи вимірювання високих
температур
Потенційний замовник термоелектричної системи для діагностики та
випробування приладів
Прилад відноситься до контрольно вимірювальних приладів та може
використовуватися на підприємствах з виробництва приладів та радіоелементів .
завдяки стрімкому розвитку все частіше ми зустрічаємо в повсякденному житті
прилади та автомобілі, які оснащені сучасною електронікою а перегрів
радіоелементів недопустимий в них. Також це стосується автоматизованих систем,
які пов’язані з вимірюванням температури або підвищення температури негативно
сказається на роботі всієї системи.
Підприємство, на якому буде налагоджено виробництво термоелектричної
системи, планується для насичення черкаського ринку.
Потенційним замовником даного приладу є:
- ЗАТ „Фотоприлад”.
– підприємства хімічної промисловості;
– підприємства харчової промисловості.

Огляд ринку
На черкаському ринку діє в даній галузі лише один конкурент, який може
налагодити випуск аналогічних приладів – ЗАТ „Фотоприлад”.
Потенційними споживачами індикатора температури сигналізуючого є:
– підприємства хімічної промисловості (ВАТ „Азот”, ВАТ „Черкаське
хімволокно”, ВАТ „Аврора”);
– підприємства харчової промисловості (ВАТ „Молокозавод”,
м’ясокомбінат „ЧПК”, хлібозаводи, консервний комбінат).
Оскільки аналогічні прилади вже виготовляють ряд інших заводів
виробників, то даним приладом планується забезпечити 30 % черкаського ринку.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 65

Прогнозований період насичення ринкової потреби складає 3 роки. Кожен рік
планується виготовляти 1000 приладів або щомісячно по 83 прилади.
Розрахунок прямих витрат на розробку та виготовлення термоелектричної
системи для діагностики та випробування приладів виконувався на персональному
комп’ютері.
Отже, собівартість виготовлення друкованої плати термоелектричної
системи буде становити 4143,04грн, а собівартість покупних елементів складає
1617гр.

6.2 Охорона праці
Аналіз небезпек та шкідливостей, які виникають при робіт в
приміщенні науково-технічного відділу
В даному розділі кваліфікаційної роботи аналізуються умови праці
спеціаліста при розробці проекту системи вимірювання високих температур в
приміщенні науково-технічного відділу. Виконання цих робіт не можливе без
використання персонального комп’ютера (ПК), укомплектованого різними
периферійними пристроями та необхідними для розрахунків прикладними
програмами. Таким чином, працюючи з ПК розробник має прямий візуальний
контакт з монітором, а враховуючи те, що деякі обчислення можуть тривати довгий
час, то це в свою чергу викликає необхідність тривалого споглядання екрану
монітора комп’ютера. Тому виникає потреба раціональної та безпечної організації
праці спеціаліста при роботі з монітором.
Важливо детально проаналізувати всі небезпечні та шкідливі фактори
виробничого середовища, які можуть безпосередньо або побічно впливати на
працюючого, що призводить до зміни його продуктивності та стану здоров’я.
Проаналізуємо фактори, що впливають на здоров'я і працездатність
співробітника, який працює у відділі з комп’ютером. За рівнем фізичних
навантажень дана робота відноситься до категорії I а.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 66

Робоче місце співробітника є постійним і складається зі столу, на якому
встановлений персональний комп'ютер, принтер та інші периферійні пристрої та
ергономічного крісла. Науково-технічний відділ являє собою окреме приміщення,
мебльоване робочими столами у кількості 5 шт, зі встановленими на них
комп’ютерами, шафами, кріслами і стільцями. Монітори на столах розміщені так,
щоб відстань від очей користувача до екрану складала не менше 70 cм, кут зору 30о.
Руки користувача розташовуються на робочому столі в горизонтальному
положенні, передбачена гарна опора для спини.
Розміри приміщення відділу становлять: ширина – 6 м, довжина – 10 м,
висота стелі – 3 м, відповідно площа стелі складає 60 м2. Приміщення розраховане
на максимальну кількість працюючих 5 осіб. Звідси площа, яка припадає на одну
людину, дорівнює 12 м2. Об’єм приміщення складає 180 м3. Звідси об'єм
приміщення, який припадає на одного працюючого, дорівнює 36 м3, що відповідає
вимогам ДБН В.2.2.28-2010.
Приміщення відділу розташоване в північній частині лівого крила
чотириповерхової цегляної будівлі. Стіни приміщення світло-рожевого
забарвлення із коефіцієнтом відбиття світла 29-38%.
На здоров’я та самопочуття співробітника відділу, під час його роботи, в
першу чергу безпосередньо впливають фактори мікроклімату в робочому
приміщенні.
Згідно з ДСН 3.3.6.042-99 нормативні значення основних факторів
мікроклімату наступні:
1. Температури повітря:
- в теплий період року – 21 - 23 °С (допустима – 20 - 28 °С). ;
- в холодний період року – 22 - 24 °С (допустима – 21 - 25 °С).
2. Вологість повітря:
- в теплий період року – 40 - 60 %;
- в холодний період року – 40 - 60 %.
3. Швидкість руху повітря:
- в теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1...0,2 м/с);
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 67

- в холодний період року – 0,1 м/с (допустима – менше 0,1 м/с).
Фактичні значення даних параметрів становлять відповідно:
1. температури повітря:
- в теплий період року – 24-25 °С ;
- в холодний період року – 18-19 °С .
2. Вологість повітря:
- в теплий період року – 50-55 %;
- в холодний період року – 40-42 %.
3. Швидкість руху повітря:
- в теплий період року – 0,08 м/с;
- в холодний період року – 0,07м/с.
Температура повітря в холодний період року не відповідає нормативним
вимогам.
У відділу в холодний період року функціонує система централізованого
водяного опалення, яка не забезпечує підтримання нормативної температури
повітря і тому, не відповідаючи ДБН В.2.5.67-2013 «Опалення, вентиляція та
кондиціювання», потребує модернізації. Для її забезпечення пропонується
використати сучасні опалювальні радіатори.
Природне освітлення приміщення відділу є однобічним, з північною
орієнтацією віконних отворів та здійснюється через чотири вікна, розміри яких
становлять 2×1,80 м.
Робочі столи в приміщенні розташовані таким чином, що вікна знаходяться
збоку від працюючого. Вікна обладнані світлорозсіюючими шторками. При цьому
у полі зору працюючого забезпечується оптимальне співвідношення яскравості
робочих та навколишніх поверхонь та обмежене відбивання світла від екрану та
функціональної клавіатури.
Згідно з нормами проектування ДБН В.2.5-28-2018 «Природне і штучне
освітлення» нормування природного освітлення проводиться за допомогою
коефіцієнта природного освітлення (КПО), вираженого в відсотках, який для
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 68

даного типу зорової праці складає 1,5 %. Фактичне значення КПО становить 22-25
%. Тому рівень природного освітлення є достатнім.
Оскільки дослідник візуально працює з монітором, де найменший об’єкт
розрізнення являється крапка, що становить близько – 0,25 мм, то його робота
відповідає найвищому ступеню точності зорової праці. Розряд зорової праці – II г,
що відповідає великому контрасту об’єкту розрізнення та фону. Контрастність
найменшого об’єкту розрізнення та фонів: між текстом на моніторі та фоном, між
текстом на аркуші паперу та аркушем, букв на клавіатурі являється великою, що
сприяє до зменшення напруги зорової праці та зменшення загальної кількості
помилок.
Приміщення відділу має штучне освітлення. При штучному освітленні
величина освітленості нормується в люксах (Лк), яка вибирається в залежності від
характеристик зорової праці з урахуванням найменшого розміру об'єкта
розрізнення, фону, контрасту об'єкта розрізнення з фоном.
Приміщення відділу обладнане світильниками типу ЛСП 02В - 2×40 у
кількості 6 шт., кожний з яких має дві люмінесцентні лампи денного світла.
Необхідна величина штучного загального освітлення для даного типу зорової праці
складає 400 лк., а фактичне значення даного параметра складає 280-320 лк. Отже,
рівень штучного освітлення на робочому місці не є достатнім відповідно до ДБН
В.2.5-28-2018 «Природне і штучне освітлення». Тому система загального штучного
освітлення потребує модернізації.
Особливістю роботи співробітника відділу з монітором є підвищене зорове
напруження, що пов'язане із спостереженням за інформацією на екрані, а також з
іншими негативними факторами. Спеціаліст втомлюється від тривалого
перебування біля монітора, оскільки його органи зору підлягають таким шкідливим
факторам як: ефект миготіння дисплея, нестійкість та нечіткість зображення,
необхідності частої переадаптації очей до рівня освітлення екрану дисплея та
загального освітлення приміщення.
Шум також є важливим фактором виробничого середовища. Головним
джерелом шуму є вентилятори охолодження в системних блоках комп’ютерів та
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 69

робочий шум периферійних пристроїв. Нормативне значення еквівалентного рівня
шуму при даному видові діяльності та типу робочого місця складає 60дБА.
Фактичне значення становить 47 дБА. Відповідно до цього дане робоче місце
відповідає допустимим вимогам по даному фактору згідно ДСН 3.3.6.037-99.
Іншим важливим фактором виробничого середовища являється
напруженість електромагнітного поля. На робочому місці співробітник підлягає
впливу електромагнітних полів, джерелом яких є ПК та периферійні пристрої,
проте, оскільки вони в більшості є екранованими, то даний вплив електромагнітних
полів незначний і не перевищує нормативне значення, визначене в ДСН 3.3.6.096-
2002 «Державні санітарні норми та правила при роботі з джерелами
електромагнітних полів».
Умови праці співробітників відділу при роботі з комп'ютером крім стану
параметрів виробничого середовища, визначаються також характеристиками
використовуваного устаткування, якістю робочих матеріалів у робочій зоні,
конструкцією робочих меблів та її розмірними характеристиками. Тип робочого
крісла обирається у відповідності ДСТУ 7951:2015 та в залежності від тривалості
роботи: при тривалій - масивне, при короткочасній - крісло легкої конструкції, яке
легко пересувати. Ширина столу 1,2 м, усі предмети, що знаходяться на ньому
розташовані на відстані не більш 75 см від працівника, отже вони знаходяться в
робочій зоні. Висота столу 74 см; висота стільця 45-50 см.
Робоча поза працюючого безпосередньо пов’язана з тривалим очікуванням
закінчення обрахунків комп’ютером, що в свою чергу призводить до періодичного
перебування в незручній, фіксованій позі до 25% від загальної тривалості роботи.
До психологічного навантаження доцільно віднести роботу дослідника з
великим обсягом інформації та великою розумовою активністю. Його діяльність
характеризується тривалим тривожним очікуванням вірних результатів, що
виснажує людину більш ніж сама робота. Однотипність даних на екрані та
очікування закінчення розрахунків може привести до додаткового виснаження
ресурсів організму, швидке стомлення, значне зниження працездатності.
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 70

Ступінь складності завдання полягає в виконанні обчислень, обробці
отриманих результатів, визначаючи їх вірність та коректність, що відповідає
допустимому класові умов праці.
Електропроводка в даному приміщенні прихованого типу. Приміщення
відноситься до 3 типу: приміщення без підвищеної небезпеки. Обладнання,
встановлене в ньому живиться напругою 220 В і споживає потужність більше ніж
3 кВт. Оскільки комп’ютери мають металевий корпус, тому згідно ДНАОП 0.00-
1.32-01 «Правила будови електроустановок. Електрообладнання спеціальних
установок» та ДСТУ Б В.2.5-82:2016 усі корпуси обладнання під'єднані до
загальної системи захисного заземлення.
Приміщення відділу відноситься до приміщень з категорією пожежобезпеки
типу В, згідно з ДСТУ Б В.1.1-38:2016. У відділу забезпечуються всі необхідні
заходи щодо протидії виникнення пожежонебезпечних ситуацій згідно з та НАПБ
А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки України». План евакуації розміщений
на стіні з вільним доступом до неї. Для попередження пожеж в ній
використовується електрична пожежна сигналізація променевого типу та теплові
датчики типу (ИП-105-2) у кількості 6 шт у відповідності з ДБН В.2.5.56-2014.
Приміщення обладнане вуглекислотним вогнегасником ВВК-5, який знаходиться у
зручному місці, відповідно до Правил експлуатації вогнегасників.
Для підвищення продуктивності праці необхідна правильна організація
режиму роботи дослідника. Аналізуючи специфіку роботи, йому цілком достатньо
чотирьох годин на добу для проведення розрахунків на комп'ютері у світлий час
доби, коли освітлення повністю задовольняє вимогам стандарту (ДБН В.2.5-28-
2018), а в іншу частину дня необхідно аналізувати отримані результати та
проводити підготовку нових даних для подальших розрахунків. Для зняття
напруженості органів зору необхідно щогодини робити перерву. Отже, оскільки
рівень штучного освітлення на робочому місці не відповідає ДБН В.2.5-28-2018
«Природне і штучне освітлення» система загального штучного освітлення потребує
модернізації.

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 71

Модернізація системи загального штучного освітлення
До робочого освітлення надаються певні вимоги:
− освітлення на робочих місцях повинно бути достатнім для виконання
даної роботи;
− освітлення повинно бути рівномірним по робочій поверхні;
− на робочій поверхні не повинно бути тіні, особливо рухливої;
− в полі зору не повинно бути прямого і відбитого блиску (блиск–
підвищена яскравість освітленої поверхні, яка викликає осліплення);
− величина освітленості повинна бути постійною в часі;
− спектральний склад світла повинен відповідати характеру роботи (ця
вимога особливо суттєва для забезпечення правильної кольоропередачі);
− світлові установки не повинні бути джерелом додаткових небезпек та
шкідливостей;
− установки повинні бути економні, прості та надійні до роботи.
Розрахунок штучного освітлення виконується методом коефіцієнту
використання світлового потоку. Основною задачею розрахунку штучного
освітлення є визначення необхідної кількості світильників для забезпечення
нормативного рівня штучного освітлення за формулою:

N = ����н∙����∙����∙Кз (6.1)
����л∙����
де:
Ен – нормоване освітлення, лк (ДБН В.2.5-28-2018);
Кз – коефіцієнт запасу, який враховує зниження освітлення в процесі
експлуатації (для заданого приміщення Кз = 1,4);
S = А·В – освітлюєма площа приміщення, (А – довжина приміщення, В –
ширина приміщення);
z – коефіцієнт мінімального освітлення; z = 1,05 (для світлодіодних
світильників);
Fл – світловий потік світильника;
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 72

η – коефіцієнт використання, відн. од.
Для визначення нормованого освітлення – Ен, визначаємо:
- перелік основних предметів, які повинна розглядати людина у процесі
роботи на заданому робочому місці: надписи на екрані монітору, шрифт у книзі;
- самі дрібні деталі зображення (найменші об’єкти розрізнення), які
містяться на перелічених предметах: розділові знаки в книжках. Орієнтовно
оцінюємо їх розмір у 0,15 ...0,3 мм;
- характеристику фона – поверхні, на якій розглядається найменший об’єкт
розрізнення, в залежності від коефіцієнта відбиття поверхні ρ. Фон є світлим (ρ >
0,4), оскільки в основному маємо справу з написами на білому фоні, як в книзі так
і на екрані монітору. Для вказаного фону коефіцієнт відбиття поверхні ρ = 0,9;
- контраст об’єкта розрізнення з фоном, тобто наскільки чітко сприймається
найменший об’єкт розрізнення на вищерозглянутому фоні. Контраст є великим
(між білим і чорним).
Користуючись ДБН В.2.5-28-2018 визначаємо, що розмір обраного
найменшого об’єкта розрізнення відноситься до діапазону розмірів в межах 0,15-
0,3мм, що відповідає IІг розряду зорової праці.
Нормативне значення штучного загального освітлення Ен з врахуванням
характеристики фону та контрасту складає: Ен = 300 лк.
Відповідно типу приміщення приймаємо тип світильника в залежності від
умов середовища і типу приміщення. Обираємо вбудовану світлодіодну панель
FLF-87 36W NW 180 pcs SMD2835.
Корпус її виготовлений з алюмінію, нижня частина – з напівпрозорого
акрилу, служить розсіювачем світла, який не пожовтіє з часом. Виконана
світлодіодна панель у формі квадрата, всередині знаходиться блок світлодіодів.
Вони розташовані по периметру панелі, завдяки чому вона буде розсіювати світло
рівномірно. Світлодіоди набагато міцніше звичайних лампочок розжарювання або
люмінесцентних лампочок, вони не мають тонкої нитки розжарювання, не
мерехтять. Панель обладнана 180 світлодіодами потужністю 36 W, які
випромінюють нейтральне біле світло. Світловий потік становить 85-90 лм на Вт,
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 73

а кут розсіювання світла – 120°. LED-панель не випромінює інфрачервоні й
ультрафіолетові промені, не містить ртуть та інших шкідливих для організму
речовини. Світлодіодна панель має сучасний дизайн в стилі хай-тек: скромні
кольори, правильна форма, відсутність додаткових декоративних елементів. У
комплект до світлодіодної панелі входять блок живлення, інсталяційні пружини,
інструкція. Монтується як звичайний растровий світильник в стелі «армстронг» або
ж безпосередньо на стелю як накладний або врізний. Працює панель від низької
напруги через блок живлення. Створює якісне, розсіяне світло без сліпучого
ефекту. Забезпечує комфортні умови освітлення і сучасний зовнішній вигляд
приміщень.

Рисунок 6.1 - Світлодіодна панель FLF-87 36W NW 180 pcs SMD2835

Технічні характеристики світильника:
вид – світлодіодні;
потужність – 36W;
тип лампи – вбудовані LED;
кількість джерел світла – 1;
колір – білий;
індекс передачі кольору – >75Ra;
відтінок (колір) світіння – нейтральний (4000-4700K);
кількість світлодіодів – 180;
кут розсіювання – 120°;
матеріал – метал;
Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 74

монтаж – Армстронг;
напруга – 220 В;
напрямок світла – вниз;
світлова віддача – 85-90lm/W;
серія – FLF-87;
тип світлодіода – SMD 2835;
ступінь захисту оболонки – IP20;
Габарити: ширина – 600, висота – 10, довжина – 600.
За формулою (7.1) розраховуємо кількість світильників N:

����н ∙ ���� ∙ ���� ∙ Кз 300 ∙ 36 ∙ 1,05 ∙ 1,4
���� = = = 5.67
����л ∙ ���� 3204 ∙ 0,87

Таким чином, кількість світильників, які планується встановити у
приміщенні дорівнює шести. Необхідно розташувати світильники рівномірно на
усій площі стелі заданого приміщення з врахуванням габаритних розмірів
приміщення та світильників. При цьому, оскільки кількість світильників відповідає
наявній, рекомендується нові встановити на існуючі місця розташування.

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 75

Висновок

У дипломній проекті був запропонований конструктивно-технологічний
варіант системи вимірювання високих температур.
Як випливає з аналізу, розроблена в цьому дипломному проекті система
вимірювання високих температур відповідає всім технічним вимогам технічного
завдання.
Система призначений для отримання об'єктивної інформації про
температуру і може бути використаний для оснащення практичних і наукових
установ . Діапазон вимірювання температур від 0°C до 1800°C. Точність
вимірювання становить ± 0,1°С
Такі часові і точнісні характеристики досягнуті за рахунок конструкції
розробленого в проекті, теплового датчика з чутливим елементом, виготовленим за
методом тонкоплівкової технології одержання резистивних плат на підкладці з
анодованого алюмінієвого сплаву. Групове виготовлення чутливих елементів по
запропонованої технології дозволить знизити собівартість виготовлення
термометра в серійному виробництві.
Розроблений в проекті чутливий елемент дозволяє вимірювати температуру
в діапазоні від 0°C до 1800°C.. Тому систему, з незначними схемо технічними і
конструкторськими змінами, можна використовуватися в інших областях ї
діяльності, де потрібно вимірювати температуру. Чутливий елемент дозволяє
передавати інформацію про температуру досліджуваного об'єкта на відстань, а
значить, може бути підключений до діагностичного комплексу

Арк.
РС93.19016.001 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 76

ChSTU repository

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