ChSTU repository

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 «Система керування біо-газовим радіатором» 
 
 
Виконав здобувач освіти 4 курсу, групи РС93 
спеціальність: 151 – Автоматизація та комп’ютерно-
інтегровані технології 
освітня програма: Робототехнічні системи та 
автоматизація 
_____Руденко Олег Анатолійович  
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 існуючих аналогів..................................................................................   7 
1.1 Перспективи та загальні технічні вимоги до біогазових установок 7 
1.2Технологія переробки та утилізації посліду… 10 
1.3 Розвиток біотехнологій і процес вироблення газу………………… 13 
1.4 Аналіз стану технічних засобів біо-реакторів 17 
2 Обґрунтування технічного завдання...................................................... 27 
3 Розробка структурної та електричної принципової  схеми …….…….. 29 
3.1 Розробка структурної схеми ……………………………..………….. 29 
3.2 Розробка схеми електричної принципової …………………..……. 30 
4 Розрахунок основних елементів системи …………………………… 41 
4.1 Розрахунок теплової енергії …………………………. 41 
4.2 Розрахунок друкованої плати на віброміцність 47 
4.3 Розрахунок друкованої плати ………………….…. 51 
4.4 Розробка алгоритму роботи системи управління ……………….… 54 
5 Технологічний розділ …………………………………………….……. 59 
6 Спеціальний розділ…………………………………………………….. 68 
6.1 Економічне обґрунтування розробки системи управління  
реактором біогазової установки………………………………………………….. 68 
6.2  Охорона праці………………………………………………………. 70 
  
  
  
     
 
     РС93.21048.001 ПЗ  
Зм. Лис т № докум. Підп Дата  
Разроб. Руденко   Літ. Лист Листів 
Пров. Туз В.В..   Система керування біо-  Т  3  
      газовим радіатором 
ЧДТУ 
Н.контр Тичков В.В   Пояснювальна записка 
Затв.     
 
 
Висновок…………………………………………………………….……. 82 
Список використаної літератури………………………………………... 83 
Додаток А   Відомість технічного проекту…………….……………….. 85 
Додаток Б    Перелік нормативних документів………………………... 87 
Додаток В    Розрахунки на ЕОМ                                      ………….....  89 
Додаток Г    Карти технологічного процесу……………………………. 90 
  
 
 
 
 
 
  
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
4 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Вступ 
 
В останні десятиліття в усьому світі, а особливо в країнах з дефіцитом 
викопної сировини, зріс інтерес до вироблення альтернативних джерел енергії. 
Такий інтерес, по-перше, можна пояснити тим, що енергоресурс є сировиною, до 
якої людство не втратило своєї потреби з моменту своєї появи. А, по-друге, тим, 
що традиційна викопна сировина має ліміт свого запасу, і тому все гостріше постає 
питання пошуку нових джерел енергоресурсів. Одним із таких джерел є біомаса. У 
XVII столітті голландський учений Ян Баптиста Ван Гельмонт виявив, що біомаса, 
яка розкладається, виділяє займисті гази. 1808 року англійський учений сер Гемфрі 
Деві відкрив, що в біогазі, який виділяється, присутній метан. Ці відкриття поклали 
початок багаторічному вивченню питання розкладання біомаси, яке триває досі [3]. 
Газогенератор - це пристрій, що перетворює паливо з рідкого або твердого 
у газоподібну форму. Існують газогенератори, що працюють на: 
• Біомасі 
• Дровах 
• Деревному вугіллі 
• Коксе 
• Кам'яному вугіллі 
• Бурому вугіллі 
У зв'язку з вищесказаним, найбільш актуальним газогенератором є 
біореактор. Цей метод видобутку енергоресурсу вирішує низку проблем, 
пов'язаних із природною життєдіяльністю людини. Наприклад, запобігання: 
викидам метану в атмосферу; забрудненню навколишнього середовища; впливу 
відходів на ґрунтові води. Відходи в біореакторі є біодобривом. Відпрацьований 
субстрат у процесі анаеробного бродіння не має запаху і є високоякісним 
біодобривом. Його використовують у сільськогосподарському виробництві і воно 
не впливає на забруднення ґрунту та ґрунтових вод. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
5 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Для продуктивної переробки сировини в газогенераторі необхідна побудова 
системи автоматичного керування технологічним процесом: контроль за станом 
сировини, за параметрами одержуваного газу і за конструктивними частинами 
газогенератора. 
Актуальність цієї дипломної роботи може бути пояснена прогнозованим 
дефіцитом викопної сировини, а також дорожнечею імпортних аналогів АСУ ТП 
  
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
6 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
1 Обґрунтування необхідності проектування на основі критичного 
аналізу існуючих аналогів 
 
 
1.1 Перспективи та загальні технічні вимоги до біогазових установок 
Найефективнішим методом переробки та утилізації сільсько-господарських 
відходів, у тому числі птахівництва, є анаеробне зброджування з можливістю 
одержання біогазу та високоцінного біодобрива. Теплота згоряння 1 м3 біогазу 
перебуває в межах від 21 до 25 МДж (5,8-6,9 кВт) і залежить від співвідношення 
метану та вуглекислого газу [8]. 
Крім того, біогазова технологія є джерелом дешевих високоефективних 
органічних добрив. Послід багатий на мікроелементи: вміст у 100 г сухої речовини 
15-38 мг - марганцю, 12-39 - цинку, 1-1,3 - кобальту, 0,5 - міді та 367-900 мг заліза 
[1,2,7]. 
Для перетворення посліду, а також гною на добриво, необхідно від 6 до 9 
місяців, за більшого їх витримування втрачається більше поживних речовин. 
Біотехнологія, зокрема анаеробне зброджування, дає змогу в короткі строки 
одержати високоефективні біодобрива, які містять максимальну кількість 
біологічно активних речовин і мікроелементів [8, 7]. 
За багатьма показниками біодобрива перевершують інші органічні добрива 
через такі їхні переваги [1-8]: 
– практично відсутнє насіння бур'янистої рослинності; 
– є можливість прямого внесення в ґрунт, при цьому починають відразу 
ефективно працювати; 
– присутність активної мікрофлори, що сприяє інтенсивному росту 
рослин; 
– збереження азоту; 
– стійкість до вимивання поживних елементів із ґрунту; 
– екологічно абсолютно чисті. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
7 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Дешеві та високоефективні біодобрива для сільськогосподарських 
підприємств - це можливість інтенсифікації виробництва вітчизняної продукції та 
підвищення її конкурентоспроможності. 
Виходячи з вищевикладеного, розробка високопродуктивної та 
енергоефективної біогазової установки (БГУ) для малих сільгоспгосподарських 
підприємств, включаючи фермерські господарства, є актуальним завданням. 
Помет є найкращою сировиною для БГУ, що дає досить високий вихід 
біогазу. Так, свіжий послід курей-несучок при клітинному утриманні дає 
приблизно вихід біогазу 130-140 м3 /т, а при підлоговому утриманні послід з 
підстилкою дає вихід біогазу близько 80 м3 /т [2]. 
Нині в нашій країні багато підприємств почали розробляти й освоювати 
виробництво БГУ різної потужності. У загальному випадку БГУ являє собою 
комплекс обладнання та пристроїв, призначений для підготовки та переробки 
біовідходів у біогаз і біодобрива. При цьому, передбачається, що біогаз є джерелом 
теплової та електричної енергії. 
Основними цілями впровадження БГУ в сільськогосподарське виробництво 
є [6-7]: 
1) отримання джерел дешевого виробництва енергії; 
2) збільшення врожайності сільськогосподарських культур за рахунок 
застосування органічних біодобрив; 
3) поліпшення якості сільськогосподарської продукції. 
Розрахунки показують, що термін окупності БГУ становить не більше 3 
років. 
Впровадження біотехнологій у сільськогосподарське виробництво, 
включно з індивідуальними фермерськими господарствами, дає змогу отримати 
такий ефект: 
– здійснюється економія традиційних джерел енергії (вугілля, газ, нафта); 
– збільшується продуктивність сільськогосподарських земель і 
знижується вартість виробництва сільськогосподарської продукції; 
– зберігається екологічний баланс; 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
8 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
– децентралізоване виробництво енергії забезпечує в комплексі безпеку 
енергетичної системи країни, зменшує при цьому втрати в енергетичній системі та 
витрати на спорудження ліній електро- і теплопередачі. 
Таким чином, впровадження БГУ матиме позитивний вплив на розвиток 
енергетики сільського господарства. 
Основною вимогою до БГУ є забезпечення ними ефективного перероблення 
органічних відходів на біогаз із можливим перетворенням його на теплову та 
електричну енергії, а також транспортне паливо і високоефективне рідке органічне 
добриво, що містить гумінові речовини [3]. 
При цьому особлива увага має бути приділена умовам оптимальних 
параметрів роботи БГУ, дотриманню умов анаеробного зброджування в 
метантенку, підтримці заданого температурного режиму, а також кислотно-
лужним показникам субстрату (біомаси), а стабільну роботу установки 
підтримують перемішувальний пристрій і теплообмінник [7]. 
Вимоги до місця розміщення біогазових комплексів полягають у тому, що 
вони мають розташовуватися якомога ближче до джерел перероблюваних відходів, 
тобто до місць утримання тварин і птахів, сховищ тощо. 
Конструкція БГУ має забезпечувати зручність монтажу та експлуатації. 
Крім того, БГУ має бути з автоматичною системою управління. При цьому 
обов'язковими є автоматизація спрацьовування датчика загазованості, системи 
оповіщення персоналу та аварійне відключення систем БГУ. 
У паспортних даних БГУ мають бути встановлені основні показники 
надійності. 
Вимоги стандарту з промислової безпеки спрямовані на забезпечення 
технологічної, пожежної та екологічної безпеки, адже біогаз у суміші з повітрям у 
співвідношенні від 5 % до 15 % призводить до загоряння, а відкрите полум'я 
становить небезпеку за умови концентрації біогазу в повітрі понад 12 %. 
Необхідне дотримання вимог охорони природи і здоров'я працівників, що 
обслуговують, тобто відходи тваринництва і птахівництва, комунальні 
каналізаційні стоки не повинні забруднювати джерела води. Мають бути вжиті 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
9 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
заходи для уникнення зараження обслуговуючих працівників патогенною 
мікрофлорою, що міститься у відходах [2-7]. 
 
 
1.2 Технологія переробки та утилізації посліду 
У птахівничих господарствах щорічно вихід посліду становить понад 50 
млн т за вологості 70-75 %, що створює проблему не тільки його вивезення, а й 
збереження повітряного басейну, водойм, земельних угідь, лісів від забруднень [7]. 
Пташиний послід - висококонцентроване і швидкодіюче добриво. Хімічний 
склад його такий: сухі речовини 34,5-48,3 сухої речовини. 
%, зола 14-40 %, сирий жир 2,9-4,5 %, сира клітковина 14-25 %, безазотисті 
екстрактивні речовини 46-48 %. У середньому одна голова яєчних курей виділяє на 
добу 175-189 г посліду, м'ясні кури - 276-300, індички - 450, качки - 423, гуси - 594, 
молодняк яєчних курей у віці 1-4 тижнів - 24, у віці 5-9 тижнів - 97, у віці 10-22 
тижнів - 176 г і т. д. [1-8]. 
На багатьох птахофабриках послід із пташника за допомогою поперечного 
транспортера спрямовують у ємність, споруджену біля пташника (15-20 м), 
тракторний навантажувач перевантажує його в автомобіль, самоскид чи 
тракторний візок і вивозить до гноєсховища чи розкидає в поле. 
Помет має зберігатися в напівзаглиблених бетонованих траншеях місткістю 
не більше 1 року. 
Для зниження втрат поживних речовин посліду його доцільно компостувати 
з торфом, соломою, тирсою, суперфосфатом або іншими компонентами, що 
поглинають вологу. Вологість компостованої маси не повинна бути вищою за 70 
%. На 3-4 частини посліду беруть одну частину наповнювача. Свіжий послід не 
можна використовувати як добриво, щоб не поширювалися хвороби і бур'яниста 
рослинність. Торфонавозні компости готують на спеціальних майданчиках, у полі, 
біля птахівничого комплексу і на торфовищах. Місце компостування залежить від 
розташування птахофабрики, поля, на яке вносять добриво, місця видобутку торфу, 
термінів і норм внесення добрив, а також забезпеченості транспортними засобами. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
10 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Торфопометні компости краще готувати у весняно-літній період безпосередньо на 
полях. Для цього на майданчик завозять торф'яну крихту шаром 30-40 см, потім на 
неї укладають послід із розрахунку одна частина посліду на три частини торфу. 
Верхній шар посліду покривають торфом. Компост збагачують фосфоритним 
борошном і калійними солями. 
У разі компостування взимку штабель закладають одразу по всій висоті, 
щоб послід, який підвозять протягом дня, не промерзав. 
З рідкого посліду з відносною вологістю понад 86 % готують 
торфожижепометні компости в полі. У середині штабелів роблять поздовжню 
канавку глибиною 50-60 см і заливають послідом, зверху штабель покривають 
торфом. Потім перемішують бульдозером або екскаватором. Готовність компосту 
для використання становить у теплий період року 1 міс, у холодний 2 міс [5]. 
Термічна обробка посліду здійснюється в протиточному сушильному 
барабані за температури 500-600о С. Технологічний процес сушіння посліду 
охоплює такі операції: доставка сировини до сушильної установки, завантаження її 
в бункер-накопичувач, дозування і термічна обробка в сушильній камері, 
приготування сухого пташиного посліду у вигляді крихти і промислових гранул на 
грануляторі ОГМ-1,5, подача готової продукції на склад. Сухий послід упаковують у 
паперові або поліетиленові мішки масою 20-25 кг. Вологість сухого посліду 12-14 %. 
Сухий пташиний послід можна зберігати і насипом, якщо він приготовлений 
у вигляді гранул. Зберігають послід у сухих приміщеннях [51, 52, 53, 64]. 
Слід зазначити, що послід має суттєву перевагу - відносно високий вихід 
біогазу порівняно з гноєм великої рогатої худоби та свиней (таблиця 1.1). 
Утилізація перерахованих вище як органічних, так і неорганічних відходів 
є серйозною проблемою охорони довкілля, а використання БГУ, як установок для 
одержання альтернативних енергоресурсів, є найперспективнішим напрямком 
їхнього перероблення. 
 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
11 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Таблиця 1.1 - Вихід біогазу, при анаеробному зброджуванні різних видів 
сільськогосподарських відходів 
Показники 
Вихідний субстрат (біомаса) Вихід біогазу, 
Вміст (СВ), % 
м /т3 
Гній ВРХ 8 22 
Гнойова рідина свиней 6 25 
Пташиний послід 22 76 
Подрібнена солома 86 300 
Силосна трав'яна маса 40 200 
Силосна кукурудзяна маса 35 208 
Кукурудзяна зернострижнева суміш 65 414 
Солома пшенична 86 280 
Трава лучна 18 95 
 
Розміщення сільськогосподарських об'єктів, таких як птахівничі та 
тваринницькі комплекси, значною мірою визначаються екологічними проблемами, 
що тягнуть за собою, тому що, екологічний вплив на навколишнє природне 
середовище визначається впливом цих об'єктів на атмосферу, і є гострим із погляду 
впливу на навколишнє середовище. Наприклад, вихід посліду від одного птаха 
становить до 290 г на добу і навіть для порівняно невеликого пташника на 1000 
курей, щоденне складування 290 кг посліду є великою проблемою для існування 
самого господарства. Повинні дотримуватися жорсткі умови, такі як наявність 
вільних майданчиків для їхньої утилізації, які водночас мають бути спеціально 
обладнані та достатньо далеко розташовані від житлових об'єктів, а близькість 
пташників або місць складування посліду чи гною до водних об'єктів узагалі не 
допускається. 
Так само згідно з вимогами СНиП діють норми відстаней санітарних 
захисних зон, які залежно від типу та виду об'єкта можуть бути в межах від 0,2 до 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
12 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
2 км. Важливим є також той факт, що економічні витрати, які включають витрати 
на розміщення відходів виробництва на спеціальних полігонах, накладають на 
підприємства чимале фінансове навантаження. Зменшити це навантаження на 
підприємства можна за рахунок впровадження технологій анаеробного 
зброджування відходів сільськогосподарського виробництва. 
 
 
1.3 Розвиток біотехнологій і процес вироблення газу 
Поряд із традиційними технологіями в харчовій і фармацевтичній 
промисловості, що використовують мікроорганізми, розробляються нові проєкти, 
в яких мікробним і клітинним культурам відводиться роль джерел енергії. 
У всьому світі у створення біоіндустрії вкладають значні кошти на 
створення біотехнологічних фірм і корпорацій. У зв'язку з цим великі компанії 
фінансують як власні дослідження, так і діяльність спеціалізованих генно-
інженерних фірм, останні, своєю чергою, тісно співпрацюють з фахівцями 
державних науково-дослідних інститутів [3-7]. 
Видатні вчені ґрунтовно доводять перспективи розвитку біотехнології та 
прикладної мікробіології. Свої доповіді вони адресували урядовим організаціям 
різних країн, залучили до роботи 
увагу відповідних інстанцій до перспективної сфери діяльності - 
біотехнологічної промисловості [6,7]. 
Таким чином, виробництво біогазу з погляду охорони довкілля, енергетики 
та економії біомаси дуже важливе, але саме внаслідок такого багатопланового 
ефекту ще не отримано прийнятної економічної оцінки цього процесу. 
Біогаз можна виробляти з будь-якої органічної речовини, однак найбільш 
вигідним видається використання для цих цілей посліду. Проблема полягає тільки 
в тому, що біогаз, який виробляють протягом усього року з посліду, не 
використовують усі дванадцять місяців, а тільки взимку, унаслідок чого витрати на 
обладнання, яке виробляє газ, не окуповують, тому опалення приміщень біогазом 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
13 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
ефективне тільки в тому разі, якщо паливо, яке утворюється, можна 
використовувати цілий рік [5,6]. 
Надалі питання виробництва біогазу обговорюватимуть насамперед у світлі 
використання відходів птахівничих і тваринницьких ферм як енергетичних джерел 
без аналізу інших можливостей застосування цього матеріалу. Кількість посліду та 
енергії, що міститься в ньому, велика, і тому його використання, не враховуючи 
вироблення біогазу в інших відношеннях, слід вважати важливою проблемою. 
Важливий фактор процесу бродіння - швидкість надходження поживних 
речовин. Вона має бути такою, щоб речовини, що перебродили, постійно 
видалялися і загальна кількість поживних речовин була незмінною. Поповнення 
поживних речовин зазвичай виражають навантаженням площі бродіння, і його 
величина залежить від швидкості розпаду. Для економічно вигідного використання 
обладнання під час отримання біогазу необхідно, щоб кількість твердих речовин не 
перевищувала верхньої межі оптимальності, оскільки вони визначають 
навантаження [4-7]. 
Для найсприятливішого протікання процесів метаболізму бактерій у всьому 
бродильному резервуарі необхідно створити гомогенні умови. Однак матеріал, 
поданий у бродильний резервуар, з часом розшаровується і всі органічні речовини 
та мікроорганізми осідають на дно. 
Це, своєю чергою, негативно впливає на життєдіяльність бактерій, 
унаслідок чого вони різко знижують синтез газу. Іншим наслідком розшаровування 
є те, що легші сполуки, наприклад жири, спливають. Це явище, з одного боку, 
ускладнює вивільнення газу, а з іншого - знижує його продукцію, оскільки ці 
речовини перестають брати участь у процесі обміну речовин. Таким чином, 
підтримання гомогенного стану в бродильному резервуарі - обов'язкова умова. 
Кількість біогазу, що утворюється, здебільшого залежить від 
температурного режиму ферментації та кількості перероблюваного за добу посліду 
за наявності та інших заданих умов ферментації. З огляду на те, що кількість 
одержуваного від різних тварин гною і посліду, як правило, відома, безпосередньо 
можна підрахувати добову кількість біогазу, що утворюється [1-8]. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
14 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Чисту кількість енергії, яку можна використати для енергетичних потреб, 
можна визначити з урахуванням енерговитрат з виробництва біогазу та 
енерговмісту газу, що утворюється. 
Галузі застосування біогазу насамперед визначаються енергопотребами тієї 
місцевості, де виробляється. При цьому, враховуючи, що біогаз можна синтезувати 
практично з усіх органічних речовин, найефективніше його застосування можливе 
в птахівництві та тваринництві. Зрозуміло, крім посліду і гною, можуть бути 
використані й інші органічні відходи. 
Енергопотреби птахівництва та тваринництва змінюються в часі: взимку 
вони максимальні, а влітку мінімальні. Виробництво біогазу протягом року також 
не рівномірне, однак при цьому спостерігається зворотне співвідношення: взимку 
його менше, ніж улітку. Унаслідок цього було б доцільно організувати 
використання біогазу так, щоб потреби в ньому дорівнювали виробленій його 
кількості або не сильно від неї відрізнялися. До теперішнього часу цю проблему не 
розв'язано, а є тільки різні компромісні варіанти [2-6]. 
Найсприятливішим вирішенням проблеми може бути, мабуть, використання 
біогазу для покриття енергетичних потреб птахівничих і тваринницьких 
комплексів. При утриманні великої рогатої худоби це стосується доїння, 
вентиляції, водопостачання та годівлі. Ці процеси потребують енергії протягом 
усього року, і необхідно зважати тільки на їхні добові коливання, внаслідок чого 
немає потреби у використанні великих ємностей для зберігання біогазу. Однак 
реалізації цієї можливості перешкоджає низький ККД перетворення біогазу в 
електроенергію. 
Задоволення всіх енергетичних потреб тваринницьких, свинарських 
комплексів і птахофабрик складніша проблема. Вентиляція, а взимку опалення 
потребують практично постійної кількості енергії. Потреба в теплі задовольняється 
просто і з гарною ефективністю використання біогазу, проте проблеми виникають 
внаслідок зміни величини цих потреб. Якщо йдеться про фабрику біогазу, створену 
для задоволення потреб лише сезону опалення, то проблем зі зберіганням немає, 
проте вони виникають при використанні цього енергоносія в інші пори року. Якщо 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
15 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
ж біогазу виробляється менше, ніж необхідно для опалення в період максимальної 
потреби в теплі, то необхідно подбати і про велике сховище. Кількість 
електроенергії, яка використовується для вентилювання тваринницьких і 
свинарських комплексів та птахофабрик, настільки незначна, що для цього 
невигідно мати біогазовий генератор. 
На околицях птахівничих і тваринницьких комплексів розташовуються ще 
й побутові приміщення, сушарки і нерідко житлові будинки. Їхні енергопотреби 
також можна задовольняти за рахунок біогазу. Побутові приміщення 
тваринницьких підприємств постійно мають забезпечуватися гарячою водою, а 
взимку й опалюватися. Енергетичні потреби отримання гарячої води для технічних 
потреб незначні, а опалювальний сезон триває не більше п'яти місяців. Енергетичні 
потреби сушарок великі, хоча експлуатуються вони короткий час. Цю потребу 
нерідко можна покрити тільки за рахунок усієї річної кількості виробленого 
біогазу, і до того ж необхідно дбати про його зберігання [3]. 
Біогазом, одержуваним від присадибного тваринництва, можна опалювати і 
житлові приміщення, однак необхідності в його використанні в літній період часу 
немає. Опалювальні потреби одного звичайного сільського будинку може 
задовольнити утримання приблизно 80 свиней за наявності газгольдера малої 
місткості. Якщо збільшити місткість сховища, то поголів'я можна і зменшити, 
однак це більш дорогий метод. 
В Угорщині та інших країнах є досвід використання біогазу і в інших 
галузях. Наприклад, у Китаї та Індії функціонують багато тисяч невеликих фабрик 
з виробництва біогазу, які часом задовольняють усі енергетичні потреби окремих 
поселень [4]. 
Перевагою використання біомаси є те, що вона постійно поновлюється і 
трансформується в паливо методами біологічної та термохімічної конверсії. В 
основі біогазових технологій лежить метанове зброджування - процес розкладання 
органічних речовин до отримання біогазу. Розкладання органіки відбувається в 
результаті життєдіяльності складного комплексу мікроорганізмів в анаеробних 
умовах. Температура протікання процесу від 15 до 60 °С. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
16 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Таким чином, виробництво біогазу та біодобрив з погляду охорони 
довкілля, енергетики та економії біомаси дуже важливе, але саме внаслідок такого 
багатопланового ефекту ще не отримано прийнятної економічної оцінки цього 
процесу. 
Біогаз можна виробляти з будь-якої органічної речовини. Однак найбільш 
вигідним видається використання для цих цілей посліду. Проблема полягає тільки 
в тому, що біогаз, що виробляється протягом усього року з посліду, не 
використовується всі дванадцять місяців. А тільки взимку, внаслідок чого витрати 
на обладнання, що виробляє газ, не окупаються. Тому опалення тваринницьких 
приміщень біогазом ефективне тільки в тому разі, якщо паливо, що утворюється, 
можна використовувати цілий рік. 
Таким чином, розробка високоефективної БГУ для фермерських 
господарств є важливим завданням. 
 
 
1.4 Аналіз стану технічних засобів біо-реакторів 
Принципова схема виробництва біогазу передбачає розв'язання таких 
завдань: накопичення і підготовка біомаси, трансформація біомаси в біогаз 
(безпосередньо метанове бродіння) і раціональне використання продуктів 
метанового бродіння (біогаз і органомінеральні добрива). 
Щоб підтримувати температуру, необхідну для ферментації, субстрат, що 
подається в біореактор, має бути нагрітий до бажаної температури (для компенсації 
втрат тепла потрібен додатковий нагрів). Оскільки зниження температури навіть на 
1-2 градуси негативно впливає на біологічний процес, крім того, необхідно 
домогтися того, щоб на поверхні нагрівального пристрою (теплообмінника) не 
осідали зважені частинки. 
Основні способи і схеми нагріву зброджуваної маси, а також схеми 
теплообмінних пристроїв представлено на рисунку 1.1. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
17 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
а - на стінках; б - на дні; в - у циліндричному теплообміннику; г - розміщеного ззовні; д 
- змійовикового типу; е - за допомогою пари, ж - з водяною сорочкою 
 
Рисунок 1.1 - Схеми теплообмінних пристроїв 
 
Підігрівають субстрат у робочому просторі теплообмінними нагрівальними 
апаратами, нагрівачами, вбудованими в стінки реактора, за допомогою водяної 
сорочки, гарячою водою і парою під тиском: нагрівальні теплообмінні пристрої 
розташовані на внутрішніх стінках біореактора (малюнок 1.1 а), на днищі (рисунок 
1.1 б), у внутрішньому співвісному циліндрі (рисунок 1.1 в), розташованому поза 
біореактором теплообміннику (рисунок 1.1 г), змійовиковому розташованому 
усередині біореактора (рисунок 1.1 д), нагрів парою під тиском (рисунок 1.1 е) і 
нагрів за допомогою водяної сорочки (рисунок 1.1 ж). 
Підвищення вологості газу потребує додаткових заходів при підготовці газу 
до використання. Обов'язковою умовою є примусова циркуляція (перемішування) 
субстрату, що забезпечує регулювання температури бродіння і мінімальну різницю 
температур субстрату, що надходить і наявного в камері. 
На рисунку 1.2 представлено схеми пристроїв для перемішування. Висока 
ефективність перемішування досягається за допомогою лопатевих мішалок 
(рисунок 1.2 а), які витісняють потік рідини під час обертання. У разі використання 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
18 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
фіксованого сопла (гідравлічне перемішування) необхідно суворо дотримуватися 
форми, розміру камери та напрямку потоку рідини (рисунок 1.2 б). 
Для змішування субстрату, що ферментується, отриманий біогаз можна 
закачати з компресора в бродильну камеру (рисунок 1.2 д). 
а - з механічним приводом; б - з гідравлічним приводом; в - за допомогою газу 
 
Рисунок 1.2 - Схеми перемішувальних пристроїв 
 
Для ефективного протікання процесу бродіння призначені механічні, 
гідравлічні та газові перемішувальні пристрої. 
Пристрій і механізм дії систем перемішування й аерації варіюють і 
становлять важливий принцип класифікації біореакторів різних типів.  
Механічні мішалки використовують переважно в невеликих реакторах, 
гідравлічні мішалки з рухомим і нерухомим соплами - у великих реакторах, 
особливо циліндричної форми. За допомогою газових мішалок у рідкий субстрат 
нагнітають газ у процесі бродіння. 
Схему використання відходів на птахівничих і тваринницьких комплексах 
наведено на рисунку 1.3. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
19 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
1 - ферма; 2 - пометозбірник; 3 - біогазовий реактор; 4 - резервуар відпрацьованого 
помету; 5 - водопровід; 6 - змішувач; 7 - машина для внесення добрив; 8 - завантажувальний 
бункер; 9 - гранулятор; 10 - сушарка; 11 - електрогенератор;12 - теплогенератор 
 
Рисунок 1.3 - Схема використання відходів на комплексі 
 
Для раціонального використання біогазу проводять його акумулювання: 
добове, декадне та сезонне. Зберігають біогаз у газгольдерах: високого тиску, 
мокрих і сухих низького тиску дзвонового типу, оболонкових і балонного типу 
низького тиску, а також у складних ємностях. 
Під час підготовки біогазу до використання його фільтрують, осушують і 
видаляють вуглекислий газ. 
В установках для переробки відходів тварин і птахів (рисунок 1.4) вихідна 
маса з двосекційного гноєсховища насосом подається в установку контактного 
нагріву 2, де нагрівається від біогазу, який подають у газовий пальник 3 топки 4 з 
газгольдера. Високотемпературні продукти згоряння біогазу, що утворюється в 
пальнику і топці, нагнітаються повітродувкою в шар посліду, інтенсивно 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
20 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
барботують через нього і виходять в атмосферу. Якщо рівень посліду в нагрівачі 
перевищує заданий, то зайва частина самопливом надходить знову в сховище. 
Нагріта маса надходить у проміжну ємність 7, а потім по трубопроводу 9 насосом 
подається в метантенк 10. 
а - конструктивна схема; б - технологічна схема; 1 - резервуар; 2 - установка контактного 
нагріву; 3 - газовий пальник; 4 - топка; 5 - циклон; 6 - насос для подачі вихідного посліду; 7 - 
проміжна ємність; 8 - насос для подачі підігрітого посліду в метантенк; 9, 14, 17, 18, 19, 20 - 
трубопроводи; 10 - метантенк; 11 - мішалка; 12 - теплогенератор; 13 - насос для вивантаження 
посліду; 15 - ковпак; 16 - газгольдер. 
 
Рисунок 1.4 - Схема біогазової установки 
 
У метантенку циркулює гаряча вода температурою 55°С від 
теплогенератора 12. Періодично весь об'єм зброджуваної маси переміщують 
шивається мішалкою 11, яка працює і під час вивантаження гною. Зброджений 
послід із метантенка трубопроводом 14 насосом вивантажується в другу секцію 
сховища або мобільні транспортні засоби. 
Отриманий біогаз газопроводом 20 надходить у газгольдер 16, який 
складається з рухомої та нерухомої ємностей. Рухома ємність (ковпак 15) 
забезпечує сталість тиску в камері зброджування і в лінії утилізації біогазу, 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
21 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
нерухома перед запуском заповнюється водою трубопроводом 17. Під час підйому 
ковпака 15 до граничного рівня вода зливається трубопроводом 18. Біогаз 
трубопроводом 19 подається в установку контактного нагріву 2 і пристрої для 
утилізації. Місткість метантенка 18 м3 , газгольдера 20 м3 ; продуктивність по 
посліду 3 т/добу, по біогазу 60 м3 /добу, встановлена потужність 53 кВт. 
На рисунку 1.5 наведено схему біогазової установки з горизонтальним 
реактором. Біореактор складається з реакторної посудини, змішувача та 
живильного насоса зі спільним робочим циклом, нагрівальних елементів, батарей 
системи водяного опалення реакторної посудини, щита автоматичного керування 
подачею суспензії та регулювання температури. 
 
 
 
 
 
 
 
1 - пульт керування змішувача і насоса; 2 - привід змішувача біомаси; 3 - біореактор; 4 - 
теплоізоляція; 5 - контур опалення; 6 - водозбірник-акумулятор; 7 - радіатор технічної води; 8 - 
електронагрівальні елементи; 9 - зарядний насос; 10 - котел центрального опалення; 11 - газовий 
пальник і комплект запобіжних пристроїв; 12 - автоматичний водовіддільник; 13 - вихід 
суспензії; 14 - насос оборотної води; 15 - радіатор; 16 - насос для суспензії; 17 - змішувач 
 
Рисунок 1.5 - Схема отримання біогазу з горизонтальним реактором 
 
Біореактор являє собою посудину циліндричної форми місткістю 170, 120 
або 65 м, яка перебуває під тиском3 , горизонтально розташовану на двох опорах. 
П'ята частина об'єму посудини призначена для зберігання біогазу, одержуваного 
під час переробки, а 4/5 для переробки маси. Ємність для маси розділена на чотири 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
22 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
секції в поперечному напрямку відносно напрямку подачі біомаси та поздовжньої 
осі циліндра. 
Котел сполучається з акумулятором-водозбірником місткістю 2- 5 м3 . В 
акумуляторі міститься батарея теплої технологічної води. 
Працює установка таким чином. Сира маса насосом періодично подається в 
ємність реактора, а та, що залишилася після переробки, стікає в басейн для 
зберігання. Реактор оснащений рідинним затвором, клапаном з 
електроуправлінням для регулювання надлишкового тиску, люком і оглядовим 
віконцем. Теплоізоляція реактора залежить від умов навколишнього середовища. 
Біогаз із верхньої частини реактора через водовіддільник і комплект 
запобіжних пристроїв надходить у газовий пальник. Температуру радіаторів 
реактора регулює триходовий клапан з пульта регулювання і датчик термостата. 
Крім використання біогазу на нагрівання води в агрегаті двигуна внутрішнього 
згоряння - електрогенератором може вироблятися електрична енергія. 
Для скорочення втрат тепла метантенк у зимовий час можна 
використовувати як сховище, а в теплу пору для зброджування. При циклічній 
роботі установки, крім зниження тепловтрат у навколишнє середовище, 
підвищується ступінь розкладання беззольної органічної речовини і збільшується 
в 1,8-2 рази вихід біологічного газу з одиниці об'єму. 
Існує біогазова установка (рисунок 1.6), що складається з чотирьох 
секційного розділеного перегородками корпусу, всередині яких розташовані 
теплообмінні та перемішувальні пристрої, що працюють незалежно. У першій 
секції відбувається попереднє бродіння в мезофільному режимі за температури 300 
С, далі біомаса надходить до другої секції, де відбувається бродіння за температури 
400 С, у третій і четвертій секціях - бродіння в термофільному режимі за 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
23 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
температури 500 С, та доброджування - відповідно. Після чого відбувається 
вивантаження перебродила маси в накопичувач. 
 
1 - вертикальна ємність; 2 - купол; 3 - відбірний пристрій для манометра; 4 - вихід біогазу; 
5 - теплообмінник; 6 - заслінка; 7 - завантажувальний патрубок; 8 - температурний датчик; 9 - 
датчики рівня; 10 - вивантажувальний патрубок; 11 - запірний клапан; 12 - мішалка; 13 - 
перегородка; 14 - перепускні вікна; 15 - газгольдер; 16 - котел; 17-ємність для біомаси; 18 - 
ємність для добрива; 19 - компресор; 20 - датчик тиску; 21, 22, 23, 24 - секції; 25 - регульована 
арматура 
Рисунок 1.6 - Чотирьох секційна біогазова установка 
 
Біогазова установка барботажного типу (малюнок 1.7) складається з 
металевого корпусу, в якому розташовані циркуляційна і перфорована системи 
труб. Підігріта електронагрівачем вода подається в циркуляційну трубу, 
нагріваючи тим самим зброджувану масу, а частина біогазу, що виробляється, 
подається в перфоровану трубу, потрапляє в корпус і перемішує біомасу. 
Найбільш технічно досконалою біогазовою установкою є така, що 
складається з біореактора (рисунок 1.8) з розміщеним усередині теплообмінним 
пристроєм і змішувальним пристроєм, який являє собою вертикальний вал із 
закріпленими лопатками. 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
24 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
1 - корпус; 2,3,4 - патрубки; 5 - циркуляційна труба; 6 - перфорована труба  
Рисунок 1.7 - Біогазова установка з перфорованою мішалкою 
 
 
1 - біореактор; 2 - теплообмінник; 3,4 - бродильні камери; 5 - завантаження вихідної 
сировини; 6 - вивантаження відпрацьованої сировини; 7 - завантажувальний патрубок; 8 - люк; 9 
- подрібнювальний пристрій; 10, 13 - вал; 11, 14 - верхні лопатки; 12, 15 – нижні лопатки; 16 - 
муфта; 17 - передача; 18 - вітродвигун; 19 - газгольдер; 20 - газгольдер; 20 – вітродвигун 
споживачі; 21 - сонячний нагрівач; 22 - розширювальний бак; 23, 24 - трубопроводи; 25 - ізоляція 
 
Рисунок 1.8 - Біогазова установка з механічною мішалкою 
 
 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
25 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Початкова маса подається в камеру 3 біореактора 1, де протікає процес 
бродіння за мезофільного режиму з нагріванням від теплообмінника 2 і сонячного 
нагрівача 21. Привід перемішувального пристрою з верхніми 11, 14 і нижніми 
лопатками 12, 15 здійснюється за допомогою вітрової енергоустановки 18 через 
передачі 17 і муфти 16, які здійснюють пересування біомаси вгору та вниз, 
сприяючи тим самим активізації перемішування та процесу зброджування, а біогаз, 
що утворюється, надходить, накопичується в газгольдері 19 і потім подається 
споживачам 20. 
У Кабардино-Балкарському ДАУ розроблено БГУ (рисунок 1.9), що 
складається з метантенка з подвійним корпусом, який виконує роль нагрівальної 
водяної сорочки. Теплоносій, нагрітий у газовому котлі, подається у водяну 
сорочку, нагріваючи й підтримуючи необхідний температурний режим 
перероблюваних відходів. 
Рисунок 1.9 - Біогазова установка з водяною сорочкою 
 
Недоліками всіх наявних біогазових установок є складність конструкції, 
надлишкове і надмірне перемішування, нерівномірне використання біогазу, що 
виробляється, а також нерівномірний нагрів (з різним температурним полем) 
біомаси по всьому об'єму біореактора. Проведений аналіз показує, що в усіх 
наявних БГУ нагрівання і перемішування біомаси здійснюють теплообмінним 
пристроєм і мішалкою, встановленими усередині біореактора, що представляють 
два окремі вузли і працюють незалежно один від одного.  
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
26 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
2 Обґрунтування технічного завдання 
 
Система управління реактором біогазової установки відіграє важливу роль 
у керуванні процесом виробництва біогазу. Основні компоненти системи 
управління включають: 
1. Сенсори та датчики: Вони вимірюють ключові параметри процесу, такі як 
температура, тиск, рівень рідини, концентрація газів та ін. Ці дані передаються на 
контролер для моніторингу та аналізу. 
2. Контролер: Це електронне пристрій, який обробляє дані від сенсорів та 
датчиків, а також забезпечує автоматичне керування різними компонентами 
біогазової установки, такими як насоси, клапани, нагрівачі та охолоджувачі. 
3. Актуатори: Це пристрої, які відповідають за рух і роботу механічних 
частин установки, таких як насоси, клапани та змішувачі. Вони керуються 
контролером на основі даних, отриманих від сенсорів та датчиків. 
4. Інтерфейс користувача: Він забезпечує зв'язок між оператором та 
системою управління, дозволяючи оператору відстежувати стан установки, 
налаштовувати параметри та контролювати різні процеси. 
Основні функції системи управління реактором біогазової установки 
включають: 
1. Підтримка оптимальних умов для мікроорганізмів: Система керує 
температурою, рівнем рідини та іншими параметрами, щоб створити сприятливе 
середовище для росту мікроорганізмів та виробництва біогазу. 
2. Регулювання газового обігу: Система контролює надходження сировини 
та відведення біогазу, щоб забез печити стабільний та ефективний процес 
виробництва біогазу. 
3. Моніторинг та діагностика: Система відстежує всі ключові параметри 
процесу та виявляє будь-які проблеми або відхилення від норми. Вона може 
автоматично коригувати параметри або сповістити оператора про необхідність 
втручання. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
27 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
4. Захист і безпека: Система включає механізми безпеки для запобігання 
перевищення тиску, перегріву, витоку газу та інших потенційно небезпечних 
ситуацій. 
5. Звітність та аналіз: Система збирає дані про процес виробництва біогазу, 
що можуть бути використані для аналізу продуктивності, оптимізації параметрів та 
планування обслуговування. 
Наприклад, в сучасних системах управління біогазовими установками часто 
використовується програмне забезпечення для автоматизованого керування та 
моніторингу процесу. Таке програмне забезпечення може включати модулі для 
розрахунку ефективності процесу, прогнозування виробництва біогазу, виявлення 
та діагностики проблем, а також планування та документування обслуговування. 
Система управління реактором біогазової установки має забезпечувати 
Автоматизоване керування рівнем тиску газу та температури в реакторі біогазової 
установки та мати такі технічні вимоги: 
Вимірювані значення: P - тиск газу; t - температура; 
Діапазон вимірювання: P = 0 - 400 bar; t = 0 - +60o C; 
Протокол взаємодії датчиків з МК - I2 C 
 
 
  
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
28 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми 
 
 
3.1 Розробка структурної схеми 
На рисунку 3.1 представлена розроблена структурна схема 
 
 
Рисунок 3.1 - Структурна схема системи керування 
Опишемо структурну схему 
Датчики 
Для автоматизованого керування об'єктом необхідна інформація про зміну 
фізичних величин, за якими ми розумітимемо характер перебігу реакції в 
біореакторі та ухвалюватимемо рішення про вироблення сигналів на керувальні 
елементи. 
Основними параметрами є: 
• Тиск газу 
• Температура 
• Рівень субстрату 
• Концентрація газів 
Лідером з виробництва таких вимірювальних перетворювачів для біогазових 
установок є компанія Siemens. 
Блок управління 
Блок керування призначений для з'єднання датчиків, виконавчих пристроїв, 
дисплеїв, інформаційної бази даних, мережевих роутерів в одну систему і видачі 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
29 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
сигналів керування залежно від алгоритму роботи, що закладений у блок 
керування. Блок керування містить у собі 
1) Схема сполучення 
2) Мікроконтролер 
Схема сполучення пов'язує всі перераховані вище пристрої з 
мікроконтролером, у якому міститься алгоритм управління цими пристроями та 
функціонування системи. 
Лідером у галузі блоків управління для систем управління біогазових 
установок є компанія Siemens. 
Виконавчі пристрої 
Виконавчі пристрої призначені для регуляції та зміни процесів, що 
протікають. 
Вибір виконавчого пристрою залежить від процесу, яким необхідно 
керувати, а також від вимог, що висуваються до його конструкції, ефективності 
виконання завдань зі зміни процесу. 
Для підтримання заданої температури в біореакторі необхідно вибирати 
виконавчий пристрій із нагрівальних систем. Також для підтримки заданої 
температури може застосовуватися тепловідведення від когенераторних установок. 
Для відкачування надлишкового тиску як виконавчі пристрої виступають клапани 
тиску газу, через які газ протікає в резервуар для зберігання. У біогазовій установці 
можуть застосовуватися виконавчі пристрої різних конструкцій подачі, 
перемішування, подрібнення субстрату. 
Живлення виконавчих пристроїв 
Живлення виконавчих пристроїв повинно мати окремий керований вимикач. 
 
3.2 Розробка схеми електричної принципової 
Вибір елементної бази 
Датчики 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
30 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Як було з'ясовано раніше, основними параметрами для нас будуть тиск газу 
і температура. При виборі необхідно врахувати протокол взаємодії з датчиками I2 C.  
 
Таблиця 3.1 - Порівняння вибраних датчиків 
Вимірювал Вимірюва 
Найменув 
Виробник ьне ний Вихід Живлення Похибка 
ання 
значення діапазон 
До 1000 
Цифровий 
Keller 21D 21D P, t бар, -50 - 3.3 В 0.15% 
I2 C 
150o С 
Honeyw До 100 Цифровий 
ASDX100 P 5 В 0.2% 
ell бар I2 C 
 
Як схему вимірювання тиску газу було обрано 21D, що випускається 
компанією KELLER. Вибір обумовлений наявністю датчика температури на 
кристалі, що вимірює тиск у температурному діапазоні, необхідному для роботи в 
біореакторі. Інші наявні аналоги датчиків не здатні вимірювати тиск понад 100 bar, 
що не відповідає вимогам, які висуваються в ТЗ. 
На кристалі цієї схеми розташовані: 
1) 4 тензорезистори об'єднаних у мостову схему для вимірювання тиску газу 
2) Датчик температури 
3) АЦП 
Сигнал з мостової схеми тензорезисторів надходить в АЦП датчика, далі 
через I2 C в канал зв'язку. 
Основні характеристики: 
1) Напруга живлення постійного струму - (3.3 В) 
2) Споживаний струм - (1 мА) 
3) Протокол - (I2 C) 
4) Діапазон вимірювання тиску - (0 - 1000 bar) 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
31 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
5) Похибка під час вимірювання тиску - 0.15%) 
6) Діапазон вимірювання температури - (-50 - +150o С) 
7) Похибка при вимірюванні температури - 2o С) 
 
Мікроконтролер 
Як МК виступатиме багатофункціональний комп'ютер Raspberry Pi Model 
B. Вибір такого потужного комп'ютера зумовлений побудовою ПЗ з графічним 
інтерфейсом, у якому відображатиметься інформація, що надходить із датчиків 
температури та тиску газу. 
Основні характеристики: 
1) Процесор - (900 MHz quad-core ARM Cortex-A7 CPU) 
2) Графічний процесор - (Broadcom VideoCore IV) 
3) ОЗУ - (1 GB RAM) 
4) ПЗП - (залежно від флеш карти) 
5) Інтерфейси - (USB, GPIO, SPI, I2C, UART, HDMI, Ethernet, DSI, слот для 
SD-карт) 
6) Максимальний споживаний струм - (~ 400 мА) 
7) Напруга живлення постійного струму - (5 В) 
 
Мультиплексор 
Протокол I2C дає змогу під'єднати абонентів до однієї шини й адресуватися 
до кожного окремо. Але виробник накладає обмеження на зміну адрес в одного 
типу датчиків до 7. Для вимірювання параметрів температури і тиску більш ніж у 
7 точках необхідне використання мультиплексора. 
 
 
 
 
 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
32 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Таблиця 3.2 - Порівняння обраних мультиплексорів 
 
Найменув Кількість Споживана 
Виробн ик Живлення Ціна 
ання входів потужність 
AD ADG424 16 56мВт 25В 13$ 
AD ADG526 16 24мВт 16.5В 16$ 
AD ADG608 8 4мВт 5В 7$ 
 
Як мультиплексор обрано ADG526A від компанії Analog Devices. 
Основні характеристики: 
1) Напруга живлення постійного струму - (16.5 В) 
2) Максимальний споживаний струм - (1.5 мА) 
3) 16-ти канальний 
 
Виконавчий пристрій відкачування газу 
Виконавчим пристроєм регуляції тиску газу може бути будь-який 
керований клапан, що задовольняє вимогам: Основні вимоги до клапана тиску: 
1) Напруга живлення постійного струму - (до 30 В) 
2) Максимальний споживаний струм - (до 10 А) 
3) Керування - аналоговий вхід (0 -10 В) 
Наприклад може бути взятий клапан Asco Numatics 610 з електродвигуном 
і керованою заслінкою для відкачування надлишкового тиску з біореактора. 
Основні характеристики: 
1) Напруга живлення постійного струму - (24 В) 
2) Максимальний споживаний струм - (0.5 А) 
3) Керування - аналоговий вхід (0 -10 В)  
 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
33 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Виконавчий пристрій терморегуляції 
Виконавчий пристрій для регуляції температури в біореакторі є найбільш 
енерговитратною частиною всієї системи. Для нагрівання реактора раціонально 
використовувати нагрівач на природному газі. Частину вихідного газу біореактора 
буде спрямовано в нагрівач для підтримання в ньому заданої температури. 
Розрахунок цієї системи буде виходити з використання газового нагрівача. Під час 
вибору електронагрівача споживачеві потрібно подбати про зовнішнє 
електроживлення з огляду на необхідну потужність нагріву реактора. 
Основні вимоги, що висуваються до виконавчого пристрою терморегуляції: 
1) Напруга живлення змінного струму - (до 250 В) 
2) Максимальний споживаний струм - (до 10 А) 
В якості газового нагрівача можна використовувати Viessmann Vitopend 
100W Wh1D виходячи з потужності для підтримки в біореакторі об'ємом 400м3 
температури +50о С. При збільшенні об'єму біореактора, потрібно обирати більш 
відповідний обігрівач 
Витрата електричної енергії цього нагрівача пов'язана більшою мірою з 
роботою гідронасоса і становить: 
P = U*I = 220*0.7 = 150 Вт 
Основні характеристики: 
1) Напруга живлення змінного струму - (220 В) 
3 Максимальний споживаний струм - (0.7 А) 
3) Максимальна теплова потужність - (30 кВт) 
 
Ключ комутації виконавчого пристрою 
Для комутації виконавчими пристроями обрано електромагнітне реле 
SONGLE SRD-05VDC. 
Основні характеристики: 
1) Напруга живлення постійного струму - (5 В) 
2) Комутація напруги змінного струму - до 250 В 10 А 
3) Комутація напруги постійного струму - до 30 В 10 А 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
34 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Таблиця 3.3 - Порівняння обираних ключів комутації 
 
Робота 
Комм. Пост. Комм. Перем. 
Виробник Найменування Наприк Ціна 
Наприклад. Наприклад. 
лад. 
Сонг-Чуан 801H-1C-C 5В 30В/10А 250В/10А 2.5$ 
Сонгл SRD 5В 30В/10А 250В/10А 0.9$ 
Omron G5LE-14 5В 30В/8А 250В/5А 2$ 
 
 
I2C Буфер 
Під час використання протоколу I2 C слід враховувати, що ємність шини не 
може перевищувати 400пФ. Це обмежує надійне використання цього протоколу на 
відстанях понад 3 м. Для вирішення цієї задачі необхідно використовувати I2 C 
буфер, який дасть змогу використовувати шину з ємністю до 4нФ і надійно 
передавати сигнали за I2 C на відстані до 250м. У даній системі обрано буфер NXP 
Semiconductors - P82B96, тому що це єдиний виробник, який виготовляє дані 
пристрої для протоколу I2 C. Він має 2 двонаправлених входи і 4 однонаправлених 
виходи. 
Основні характеристики: 
1) Напруга живлення постійного струму - (2-15 В) 
2) Максимальний споживаний струм - (4 мА) 
3) Використання ліній передач - (до 250 м) 
У даній системі передбачено лінію передачі довжиною до 100м. Виходячи з 
цього будуть обрані заявлені виробником номінали підтягувальних резисторів і 
конденсаторів для надійного отримання інформації. 
Доступ до системи управління біореактором 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
35 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Для отримання графічної інформації про процеси, що протікають у 
біореакторі, а також для управління і налаштування в системі передбачено 
з'єднання з мережевим роутером через Ethernet. Це рішення дасть змогу отримати 
доступ до керуючого комп'ютера біореактора з будь-якого комп'ютера через 
інтернет. 
Основні вимоги до мережевого роутера: 
1) Напруга живлення постійного струму - (12 В) 
2) Споживаний струм - (1 А) 
 
Живлення системи 
Нагрівач: 
Напруга живлення змінного струму - (220 В) 
Споживаний струм - (0.7 А) Клапан надлишкового тиску: 
Напруга живлення постійного струму - (24 В) 
Споживаний струм - (0.5 А) Комп'ютер Raspberry Pi: 
Напруга живлення постійного струму - (5 В) 
Споживаний струм - (0.5 А) Датчик Keller 21D: 
Напруга живлення постійного струму - (3.3 В) 
Споживаний струм - (1 мА) Мультиплексор ADG526A: 
Напруга живлення постійного струму - (16.5 В) 
Струм споживання - (1.5 мА) Електромагнітне реле SONGLE SRD-05VDC 
Напруга живлення постійного струму - (5 В) 
Споживаний струм - (50 мА) I2C Буфер: 
Напруга живлення постійного струму - (15 В) 
Споживаний струм - (4 мА) Мережевий роутер: 
Напруга живлення постійного струму - (12 В) 
Споживаний струм - (1 А) 
 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
36 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Для функціонування системи знадобиться джерело живлення 220В змінного 
струму 3А. А також випрямлячі (5 В, 12 В, 15 В, 16.5 В, 24 В). 
 
Схема з'єднань спроектованого пристрою представлена на рисунку 3.2. 
Рисунок 3.2 - Схема з'єднань пристрою 
Пристрій містить: блок керування А1, роз'єми для під'єднання 16 датчиків, 
набір із 6 блоків живлення, нагрівач, клапан тиску, мережевий роутер. 
 
Рисунок 3.3 - Схема блока керування А1 
 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
37 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Блок керування А1 містить пристрій сполучення АА і комп'ютер Raspberry 
Pi. Роз'єм Х1-Х16 призначений для під'єднання до 16 датчиків, Х17 для блока 
живлення даних датчиків. Роз'єм Х18 призначений для живлення I2 C буфера. 
Роз'єм Х19 необхідний для живлення мультиплексорів. Х21 і Х23 призначені для 
живлення нагрівача і клапана тиску відповідно. 
Роз'єми Х20, Х22 для підключення нагрівача і клапана тиску. Х24 потрібен 
для живлення комп'ютера Raspberry Pi через інтерфейс mini USB. Роз'єм Х25 
необхідний для під'єднання мережевого роутера до системи керування. 
 
Рисунок 3.4 - Схема сполучення АА 
Пристрій АА - забезпечує сполучення між датчиками, виконавчими 
пристроями та комп'ютером Raspberry Pi. Схема сполучення включає в себе два 
мультиплексори, I2 C буфер і два електромагнітних реле. Також роз'єми під 
живлення датчиків, двох мультиплексорів, I2 C буфера. Роз'єм Х55 під керування 
мультиплексорами з комп'ютера Raspberry Pi. Роз'єми Х56 і Х57 призначені для 
під'єднання живлення клапана тиску і нагрівача відповідно до електромагнітного 
реле, а також для живлення і керування реле з Raspberry Pi. 
Вузол датчика представлений на рисунку 3.5. 
 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
38 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Рисунок 3.5 - Схема вузла датчика 
Вузол датчика містить у собі: датчик, I2 C буфер, роз'єм для під'єднання до 
блока керування. 
Робота пристрою 
Пристрій складається з основного блоку, датчиків, виконавчих пристроїв, 
мережевого роутера. 
Датчики: 
• Вимірювання температури 
• Вимірювання тиску газу Основний блок: 
• Вузол сполучення з датчиками, виконавчими пристроями 
• Комп'ютер Виконавчі пристрої: 
• Клапан відкачування газу 
• Нагрівальний пристрій 
Вузол сполучення виконує такі функції: 
1) Сполучення датчиків із комп'ютером за протоколом I2C. 
Функція сполучення датчиків з комп'ютером реалізована завдяки 
використанню двох мультиплексорів D17, D18 для ліній даних і тактових сигналів. 
Мультиплексори вибирають один із 16 входів А0-А15 за заданою адресою 
від комп'ютера в двійковому коді чотирибітного числа. У такий спосіб вибирається 
датчик, під'єднаний до одного з входів А0-А15. Між мультиплексором і окремим 
датчиком передбачено два I2C буфери, які дають змогу відокремити датчики від 
основного блока на відстань до 100м. 
2) Сполучення виконавчих пристроїв із комп'ютером. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
39 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Цю функцію реалізовано завдяки використанню керованого 
електромагнітного реле. На основі рішення про ввімкнення виконавчого пристрою 
подається сигнал з комп'ютера на електромагнітне реле, тим самим замикаючи 
ланцюг живлення виконавчого пристрою. Також передбачено керування клапаном 
тиску газу від комп'ютера, яке дає змогу регулювати потік газу, що протікає через 
клапан, завдяки зміні зазору заслінки. Мережевий роутер слугує для під'єднання до 
розробленої системи управління біореактором, контролю за функціонуванням 
системи та вироблення необхідних дій. 
  
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
40 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
4 Розрахунок основних елементів системи 
 
 
4.1 Розрахунок теплової енергії 
Теплова енергія, що виділяється ЕОМ, може передаватися іншим елементам 
конструкції і відводитися в навколишнє середовище. Елементи, що виділяють 
теплову енергію, називаються джерелами, що поглинають її - стоками, а сам 
процес - теплообміном. Теплообмін може здійснюватися кондукцією 
(теплопровідністю), природною й примусовою конвекцією й випромінюванням. 
Тепловий режим конструкції ЕОМ залежить від  
➢ температури навколишнього середовища,  
➢ потужності джерел і стоків теплової енергії  
➢ умов теплообміну (геометричні параметри й теплофізичні властивості 
елементів конструкції) 
Конструкція ЕОМ повинна забезпечувати нормальний тепловий режим 
елементів. Тепловий режим називається нормальним, якщо температури елементів 
конструкції рівні або нижче припустимих значень за технічним завданням. 
Забезпечення необхідних температурних умов досягається при проектуванні 
вибором системи охолодження як для ЕОМ або системи в цілому, так і для окремих 
елементів конструкції. 
 
Основні механізми переносу теплової енергії: 
Кондукція 
Кондукція або теплопровідність - це передача тепла за допомогою взаємодії 
між молекулами тіла або дотичних тіл. Якщо дотичні тіла або ділянки тіла мають 
різну температуру, то за рахунок теплопровідності виникає потік теплоти, 
спрямований убік зменшення температури[23].  
Теплообмін кондукцією описується законом Фур’є: 
d
 = −  ,                                                       (4.1) 
dl
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
41 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
де  - кількість теплової енергії, що проходить через одиницю площі 
d
ізотермічної поверхні,   - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, Вт/(м∙К),  - 
dl
температурний градієнт. Знак «-» вказує напрям теплового потоку в сторону 
зменшення температури[23].  
 
Таблиця 4.1 – Коефіцієнт теплопровідності   для різних матеріалів 
 
Коефіцієнт 
Матеріал теплопровідності  , 
Вт/(м∙К) 
Срібло 390 ...410 
Алюміній АЛ-7 196 
Дюралюміній Д-16 160... 180 
Мідь 400 
Сталь 45,5 
Резина 0,15 
Ебоніт, генитакс 0,156 ...0,175 
Поліхлорвінілова пластмаса 0,443 
Текстоліт, склотекстоліт 0,231 ...0,385 
Ситал 1,5 
Картон щільний 0,230 
Пенопласт 0,58 
Повітря (при θ =313 К) 2,76-10-2 
Вода (при θ =313 К) 0,635 
 
Для різних сполучень пар матеріалів при питомому навантаженні 1000 
Н/см3 і шорсткості поверхні Rz20 , питомий тепловий опір контакту може бути 
оцінений коефіцієнтом теплопередачі (питома теплова провідність)                        Т
[ Вт/(м2∙К)]. 
Найбільший коефіцієнт Т  для пар метал-скло 2,3 ∙ 104, найменший – для 
пар мідь-сталь 1,2∙10-4. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
42 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Таблиця 4.2 – Коефіцієнт теплопровідності біметалів[23] 
 
Коефіцієнт 
Матеріал 
теплопередачі Т , Вт/(м2∙К) 
Мідь — алюміній 12∙10-4 
Мідь — мідь 10∙10-4 
Мідь — латунь 5,5∙10-4 
Мідь — дюралюміній 5,0∙10-4 
Дюралюміній—дюралюміній 4,0∙10-4 
Мідь — сталь 1,2∙10-4 
Сталь — дюралюміній 8,4∙103 
Сталь — сталь 1,5∙103 
Метал — фарба — метал 500,0 
Метал — скло (0,6... 2,3) ∙ 104 
Сталь — сталь (різьбове 
1,7∙103 
з’єднання) 
 
При відомому значенні коефіцієнта теплопередачі Т  (питомої теплової 
провідності) тепловий опір контакту[23]: 
 
1
RK = .                                                           (4.2) 
Т  S
 
 
 
Конвекція  
Конвекція – спільна дія явищ теплопровідності середовища, запасання 
енергії в ній та її перемішування.  
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
43 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Конвекція називається природною, якщо здійснюється при вільному русі 
середовища за рахунок різниці густини холодної й гарячої областей. 
Примусова, якщо рух середовища відбувається під дією зовнішніх сил. 
Теплообмін конвекцією описується законом Ньютона-Рихмана [23]: 
 
 = ( i −c )S   [Вт]                                     (4.3) 
 
де   - коефіцієнт теплообміну конвекцією між поверхнею тіла й 
середовищем, Вт/(м2∙К); i і c  - температури поверхні тіла й середовища; S  - 
площа поверхні теплообміну тіла, м2.  
Часто теплова енергія передається від поверхні і до поверхні j через рідкий 
або газоподібний прошарок, тоді тепловий потік[23]: 
 
 i, j = ki, j (i − j )Si                                              (4.4) 
 
де ki, j  - коефіцієнт теплопередачі в прошарку, Вт/(м2∙К). 
Коефіцієнти теплообміну конвекцією  ic  й теплопередачі в прошарку ki, j  є 
функціями фізико-механічних і кінематичних властивостей рідини або газу, а 
також параметрів, що характеризують форму й розміри поверхонь.  
 
Теплообмін випромінюванням  
Теплова енергія випромінюється електромагнітними хвилями в 
інфрачервоному діапазоні довжин (0.3 - 10) мкм.  
За законом Стефана-Больцмана випромінювана в простір енергія[23]: 
 
Ф =  С0  S( /100)4  [Вт]                                    (4.5) 
 
де   - ступінь чорності тіла;  
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
44 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
С0=5,67 Вт/(м2∙К4) - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла;  
S - площа випромінюючої поверхні тіла; 
  - температура тіла. 
Коефіцієнт   залежить від матеріалу випромінюючого тіла й стану його 
поверхні  
Теплова енергія (Вт), що передається випромінюванням від поверхні тіла і 
з температурою  i  й площею Si до поверхні тіла j з температурою  j  й площею Sj, 
на підставі того ж закону[23]: 
 
   j 
Фi, j =  С i
0 i, j  Si ( )4 − ( )4
                              (4.6) 
пр i, j  100 100 
 
де   - наведений ступінь чорності тіл і й j;  
пр i , j
i, j  - коефіцієнт опромінення, що показує, яка частина теплової енергії, 
випромінюваної тілом і, попадає на тіло j;  
 i  і  j  - абсолютна температура тіл і й j. 
 
Коефіцієнт опромінення i, j  залежить від розмірів, форми й взаємної 
орієнтації тіл. Наведений ступінь чорності   є функцією ступеня чорності тіл і 
пр i , j
й j ( i  і  j ) і коефіцієнта i, j .  
Для теплообміну між необмеженими плоскопаралельними поверхнями 
коефіцієнти опромінення 1,2 =2,1 =1 , а наведений ступінь чорності: 
 
1
 =  ,                                            (4.7) 
пр 1,2 1 1
+ −1
1  2
 
де 1  й  2  - ступінь чорності тіл 1 й 2. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
45 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Для теплообміну між тілом і його оболонкою, що охоплює (рис. 4.2). 
 
S
1,2 =1 ;     1
2,1 = ,                                        (4.8) 
S2
 
де S1  й S2  - площі поверхні тіл 1 й 2. 
 
 
 
Рисунок 4.2 – Поверхні тіла  
 
Приклади теплообміну випромінюванням між тілом 1 і його оболонкою, що 
охоплює, 2 
Наведений ступінь чорності : 
 
1
 =                                                (4.9) 
пр 1,2 1  1 
+ 
2,1 −11   2 
 
Розрахунок теплового режиму  
Розрахунок ведуть по найбільш чутливому до тепла елементу. 
Ціль: визначення температури нагрітої зони і середовища близь поверхні 
ЕРЕ, необхідних для оцінки надійності. 
Конструкція ЕОМ замінюється фізичною тепловою моделлю, в котрій 
нагріта зона – паралелепіпед, який має середньоповерхневу температуру tн.з  і 
.
розсіювальну теплову потужність Рн.з  
.
За розміри нагрітої зони беруть L1, L2  і висоту L3 [23]: 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
46 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
L3 = т + h31 + h32                                               (4.10) 
 
т  - товщина шасі; h31 і h32  - частини висоти нагрітої зони, що 
розміщуються в 1 і 2 відсіках, на котрі шасі ділить блок ЕОМ.  
Параметри h31 і h32  визначають за формулою[23]: 
 
nj V
h = i                                             (4.11) 
3 j
i=1 L1 / L2
 
де j – номер відсіку блоку;  
Vi – об’єм і-тої деталі в j-тому відсіку; 
nj – число деталей в  j-тому відсіку. 
 
Розрахунок тіла відбувається в три етапи: 
1. Визначення температури корпусу tK  
.
2. Визначення середньоповерхневих температур нагрітих зон 
3. Визначення температури поверхні елементу (КМС, ЕРЕ) 
 
 
4.2 Розрахунок друкованої плати на віброміцність 
В радіоелектронній і електронно-обчислювальній апаратурі плати 
використовуються для розміщення на них інтегральних мікросхем (ІС) і ЕРЕ 
різного виду і рівня, і їх комутації між собою, яка звичайно здійснюється з 
допомогою печатного монтажу. Як правило, плати – це конструктивно закінчений 
функціональний модуль, який називають іноді ячейкою. Каркасний варіант цього 
модуля застосовують при підвищених вимогах до віброміцності і вібростійкості, а 
також при використанні в модулі двох печатних плат і більше. В каркасних 
конструкціях плат основою є металева рама, форми і розміри якої залежать від 
конструкції модуля. Плату, на якій розміщують ІС і ЕРЕ, закріплюють на рамі 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
47 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
гвинтами або заклепками. В безкаркасній конструкції основою є друкована  
плата[23]. 
По конструктивному оформленню, в залежності від розміщення на платі ІС 
і ЕРЕ, а також від виду електричного монтажу, ДП можуть бути односторонніми, 
двохсторонніми або багатошаровими. Багатошарові печатні плати застосовують 
при підвищенній щільності компоновки ІС і неможливості виконання коммутації 
на одному рівні. 
Форму ДП вибирають, як правило, прямокутну . Товщину ДП вибирають із 
ряду 0,8; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 мм. 
Для виготовлення ДП використовуються різні матеріали. 
Вібрації - коливання з невеликою амплітудою (до 0,1 мм), які виникають за 
рахунок неврівноваженості сил інерції і призводять до зниження довговічності та 
надійності ЕОМ. 
Вплив вібрації залежить від частоти, тривалості і амплітуди коливань. Під 
впливом вібрації плата поводить  себе як пружня пластина, яка наражається на  
руйнування, особливо при резонансі. Таких відмов як обрив провідників, 
руйнування паяних з’єднань, порушення контактів у з’днувачах можна уникнути 
якщо частоти власних коливань плати та шасі будуть різними. Звичайно                         
f0  плати=2Fблоку, тобто повинна виконуватися умова « двох октав»- коли частота 
власних коливань плати має бути більшою, ніж подвійна частота діапазону 
вимушених коливань. 
При розрахунку на віброміцність за розрахункову схему також приймається 
спрощена модель у вигляді прямокутної пластини з розмірами сторін  ахb  
постійної товщини  h  з різними видами закріплення по контуру. При рівномірному 
навантаженні ДП по її поверхні ЕРЕ для всіх випадків закріплення по контуру її 
власна частота в Гц буде[23]: 
 
1 D
f = K                                           (4.12) 
0 2  M
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
48 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Так для більшості[23]: 
 
1 K D
f =    ab                                  (4.13) 
0 2 a2 M
 
де    D - циліндрична жорсткість; 
М- маса плати з елементами; а,в- довжини та ширина плати відповідно; 
значення коефіцієнта К обчислюєтся за формулою: 
 
  ,                                      (4.14) 
K =K  + +
 b2 b4
 
де коефіцієнти К, , ,    вибираються в залежності від методу закріплення 
ДП за таблиці 4.3, в якій a, b - відповідно більший та менший розміри плати. 
Значення ціліндричної жорсткості D визначають за формулою[23]: 
 
h3 ,                                               (4.15) 
D = E 
12(1−2)
 
де h - товщина ДП, мм, 
E - модуль пружності матеріалу плати, МПа, 
 - коефіцієнт Пуасона матеріалу ДП. 
Тоді при частоті вібраціі Fв та значенні перевантаження n амплітуда А 
коливань ДП в мм буде дорівнювати[23]: 
 
n
A=250                                                (4.16) 
Fв2
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
49 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Допустима амплітуда коливань печатних плат для стаціонарних ЕОМ  - 
0.11-0.13 мм. 
Величина коефіцієнта динамічності, який показує у скільки разів амплітуда 
вимушених коливань ДП на частоті F відрізняється від амплітуди на частоті Fв, 
дорівнює[23]: 
 
F F
K =((1−( )2)2 +( )2 2)−1/2 ,           (4.17) 
d Fв Fв
 
де  - показник коливань, які загасають (для склотекстоліту при напругах, 
близьких до допустимих, приймають  = 0.06). 
Динамічний прогин в геометричному центрі ДП в мм при її збудженні з 
частотою F: 
 
 =K A                                                    (4.18) 
d d
 
Еквівалентно рівномірно розподілене по ДП динамічне навантаження, в 
Н/м2 (Па) [23]: 
 
 D
P = d ,                                               (4.19) 
d
C1b4
а максимальний розподілений згинальний момент, в Н, викликаний цим 
навантаженням[23]: 
 
M =C2P b2                                        (4.20) 
max d
 
Коефіцієнти С1, С2 залежать від методу закріплення ДП.  
При опиранні ДП по контуру для їх визначення використовують формули: 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
50 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
a
C1=0.00406+0.018lg( )                          (4.21) 
b
 
a
C2=0.0479+0.18lg( )                             (4.22) 
b
 
При затисненні пластини по контуру використовують формули[23]: 
 
a
C1=0.0012+0.041lg( )                                 (4.23) 
b
 
a
C2=0.0513+0.108lg( )                                (4.24) 
b
 
Максимальне динамічне навантаження згину ДП, в МПа: 
 
6M
 = max                                     (4.25) 
max
106 h2
 
Умова віброміцності ДП має вигляд[23]: 

 = −1 ,                                    (4.26) 
max [N ]
 
де  -1 - границя витривалості матеріалу ДП, БП; 
N - допустимий запас міцності. 
Результати розрахунку представлені в додатку Г. 
 
 
4.3 Розрахунок друкованої плати 
Електрична принципова схема розроблена на мікроконтролері  
Корпус  мікросхеми - прямокутний пластмасовий типу 201.14-1. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
51 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Напруга живлення мікросхем (5 В. Максимальний струм, що протікає в 
ланцюгах схеми, складає 0,2 А. 
До теплонагружених елементів відносяться резистори серії МЛТ з 
номінальною потужністю 0,125 Вт і змінний резистор СП5 з номінальною 
потужністю 1 Вт. 
Правило двох мінімумів. Топологічним конструюванням друкованих 
плат(ДП) називається розробка малюнка ДП, включаючи розміщення ЕРЕ на 
робочій площі ДП і трасування з'єднань між контактними майданчиками[23]. 
Процес топологічного конструювання складається з розміщення і 
трасування. При розміщенні розставляють навісні елементи на платі, розподіляють 
контакти з'єднань за електричною схемою і розташовують контрольні гнізда. При 
трасуванні прокладають лінії з'єднань(провідники) між контактними 
майданчиками відповідно до схеми електричної принципової з урахуванням 
геометричних і електричних обмежень. 
Правило двох мінімумів : при топологічному конструюванні ДП має бути 
досягнутий мінімум перетинів і мінімум довжини зв'язків. Мінімум перетинів 
означає і мінімум перехідних отворів. Ця вимога зазвичай має пріоритет, оскільки 
забезпечує технологічність по мінімуму числа шарів і створює важливі передумови 
для безвідмовності. 
Норми при розміщенні і розрахунок числа посадочних місць. Топологічне 
конструювання ДП розпочинається з попереднього розміщення як самостійної 
процедури. Розрахунку граничного числа корпусів ІС і МС, встановлюваних на ДП, 
передує встановлення норм компактного розміщення. Ці норми виходять з 
розташування ІС, МС і інших навісних елементів рядами. Висновки цих елементів 
піддаються формуванню. Контур площі, займаної на ДП навісним  елементом, 
включаючи контактні майданчики під формовані виводи, називають посадочним 
місцем(рисунок 4.3) [23] 
Робоча площа ДП, або зона розміщення посадочних місць, на ДП дорівнює 
загальній площі ДП за вирахуванням площі крайового поля - вільної смуги уподовж 
периметру ДП, що передбачається для технологічних цілей, не займаною 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
52 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
малюнком і навісними елементами. Ширина крайового поля - відстань від краю ДП 
до краю першого ряду посадочних місць. Крайове поле визначається трьома 
координатами: х - ширина межового поля по осі X(однакова з лівого і з правого боку 
ДП ); у1 - ширина крайового поля для з'єднувача по осі Y(у нижній кромці ДП); у2 
- ширина крайового поля для розміщення контрольних гнізд у верхній кромці Дп. 
Ширину крайового поля х з лівого і правого краю приймають рівною: для 
штирьових виводів х = 5 мм, для планарных виводів х = 2,5 мм. Ширину крайового 
поля по осі Y за відсутності контрольних гнізд беруть у2=12,5 мм[23]. 
 
 
Рисунок 4.3 - Розміщення ІС і корпусних МС на ДП: 1 - посадочне місце;            
2 - межа зони розміщення;3 - крайове поле ДП 
 
Робоча площа ДП, або зона розміщення посадочних місць, на ДП дорівнює 
загальній площі ДП за вирахуванням площі крайового поля - вільної смуги уподовж 
периметру ДП, що передбачається для технологічних цілей, не займаною 
малюнком і навісними елементами. Ширина крайового поля - відстань від краю ДП 
до краю першого ряду посадочних місць. Крайове поле визначається трьома 
координатами: х - ширина межового поля по осі X(однакова з лівого і з правого боку 
ДП ); у1 - ширина крайового поля для з'єднувача по осі Y(у нижній кромці ДП); у2 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
53 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
- ширина крайового поля для розміщення контрольних гнізд у верхній кромці ДП. 
Ширину крайового поля х з лівого і правого краю приймають рівною: для 
штирьових виводів х = 5 мм, для планарних виводів х = 2,5 мм. Ширину крайового 
поля по осі Y за відсутності контрольних гнізд беруть у2=12,5 мм. Розрахунок числа 
посадочних місць виконується по формулах[23]: 
 
n = nx  ny .      (4.27) 
 
Lx − 2x − l
n = x + l .          (4.28) 
x
tx
 
Ly − (y1 + y2 )− ly
ny = + l ,     (4.29) 
ty
 
де _ - число посадочних місць при односторонньому розміщенні; 
nx  - число посадочних місць в одному ряду(округляється до цілого числа у 
бік зменшення); 
n y  - число посадочних місць(округляється до цілого числа у бік зменшення); 
Lx , Ly  - розміри ДП по осях X і Y; 
t x , t y  - крок установки по осях X і Y; 
х - ширина крайового поля по осі Х; 
y1, y2  - ширина крайового поля для з'єднувачів і контрольних гнізд. 
 
 
4.4 Розробка алгоритму роботи системи управління 
Програма виконується трьома потоками. Потік температури призначений 
для вимірювання температури і роботи з нагрівачем. Потік тиску призначений для 
вимірювання тиску і роботи з клапаном. Графічний потік є інформативним і 
відображає отриману з датчиків інформацію. Перед початком запуску потоків 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
54 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
відбувається ініціалізація протоколу I2 C. Далі відбувається ініціалізація датчиків. 
В ініціалізації датчиків передбачено процедуру завантаження інформації з моменту 
останнього вимкнення системи. 
Алгоритм роботи системи управління реактором біогазової установки 
представлений на рисунку 4.4. 
 
 
Початок
Завершити потік Потоки виконуються?
Вибір датчика
Вимірювання t 
Заборона виміру t
завершено?
ні так
Заборона виміру t Відображення р
Вимірювання  t
Вимірювання р Відображення t
так
Температура менше 
Дозвіл 50?
вимірювання t
ні
так
Відкрити Увімкнути Вимкнути нагрів
Надмірний тиск?
клапан нагрівач
ні
Потік Т завершено
Закрити клапан
Потік Д завершено так
Потік Д завершено?
так
ні
Потік Т завершено? ні
Очікування більше 
60сек?
так так
ні
Очікування більше 
60сек?
 
 
Рисунок 4.4 - Алгоритм виконання програми 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
55 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Програма виконується трьома потоками. Потік температури призначений 
для вимірювання температури і роботи з нагрівачем. Потік тиску призначений для 
вимірювання тиску і роботи з клапаном. Графічний потік є інформативним і 
відображає отриману з датчиків інформацію. Перед початком запуску потоків 
відбувається ініціалізація протоколу I2 C. Далі відбувається ініціалізація датчиків. 
В ініціалізації датчиків передбачено процедуру завантаження інформації з моменту 
останнього вимкнення системи. 
Далі виконується процедура з визначення підключених датчиків до системи 
управління. На наступному етапі робиться 
висновок, якщо є нові під'єднані до системи датчики, запускається 
процедура їх установлення, якщо з якихось причин датчик не визначається, 
запускається процедура видалення датчика. 
Якщо змін не відбулося, запускається процедура вибору датчика залежно 
від обраного режиму. У системі передбачено 2 режими: петльовий - датчики 
опитуються по черзі, точковий - отримання інформації відбувається тільки від 
одного обраного датчика. 
Режими роботи можна перемикати в момент виконання програми. Він почне 
діяти з моменту, як закінчать виконуватися активні на цей момент потоки тиску і 
температури. 
Далі відбувається виклик графічного потоку. Графічний потік працює без 
зупинок і закінчується тоді, коли завершує своє виконання основна програма. Цей 
потік призначений для реалізації графічного інтерфейсу, а також відображення 
графічної інформації на основі отриманих даних потоками тиску і температури. 
Після виклику графічного потоку ставиться заборона на вимірювання 
температури. Це зроблено для встановлення пріоритету потоку тиску. Пріоритет 
контролю тиску вищий у зв'язку з небезпекою в надлишку тиску, ніж перегрів або 
тим більше низька температура в біореакторі. 
Далі відбувається запуск двох потоків: тиску і температури. 
Першим починає виконання потік тиску, оскільки у потоку температури 
стоїть заборона. У потоці тиску передбачена повторна заборона вимірювання 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
56 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
температури і затримка тривалістю в отримання вимірювань потоком температури. 
Це зроблено для того, щоб уникнути конфліктної ситуації, коли два потоки в один 
момент часу намагатимуться вимірювати значення тиску і температури з одного 
датчика. Статися це може в момент закінчення очікування потоком тиску потоку 
температури і кінцем виконання потоку температури. 
Далі виконується процедура вимірювання тиску і ставиться дозвіл на 
вимірювання температури. З цього моменту потік температури почне своє 
виконання. 
На основі отриманих даних тиску від датчика ухвалюється рішення про 
необхідність увімкнення клапана відкачування газу. У разі надлишку тиску газу 
запускається процедура відкриття клапана і потік виконується з початку. 
Коли рівень тиску газу опуститься до допустимого рівня, потік продовжить 
виконуватися і викличеться процедура закриття клапана. 
Далі буде викликано процедуру інформування потоку температури про те, 
що потік тиску завершено. 
Після, потік тиску перевіряє чи закінчив своє виконання потік температури. 
Якщо закінчив, основна програма завершує виконання потоків тиску і температури 
і починає своє виконання з початку, вибираючи датчик, виходячи з режиму роботи. 
Інакше, в потоці тиску передбачена перевірка скільки потік тиску перебуває в 
очікуванні. Якщо менше заданого значення, перехід до перевірки закінчення 
потоку температури. Інакше, виконується потік тиску з початку. 
1) Виконання потоку температури починається з визначення, чи можна 
йому отримати дані з датчика, якщо можна - виконується процедура вимірювання 
температури. Інакше, очікування і знову запит на дозвіл отримання даних. На 
основі отриманих даних температури приймається рішення про необхідність 
увімкнення обігріву. Якщо температура більша за задане значення, то виконується 
процедура увімкнення обігріву і потік починає своє виконання з початку. Коли 
температура встановиться до необхідного рівня запуститься процедура вимкнення 
обігріву і потік перейде до виконання наступної процедури інформування потоку 
тиску про своє завершення. Після, потік температури перевіряє чи закінчив своє 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
57 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
виконання потік тиску. Якщо закінчив, основна програма завершує виконання 
потоків тиску і температури і починає своє виконання з початку, вибираючи 
датчик, виходячи з режиму роботи. Інакше, в потоці температури передбачена 
перевірка скільки потік температури перебуває в очікуванні. Якщо менше заданого 
значення, перехід до перевірки закінчення потоку тиску. Інакше, виконується потік 
температури з початку. 
 
 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
58 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
5 Технологічний розділ 
 
Покращити якість роботи електронних систем з одночасним підвищенням 
надійності, зменшенням маси, габаритних розмірів і використання енергії при 
мінімальних затратах можливо за рахунок використання методів і засобів 
мікроелектроніки і комплексної мініатюризації. 
Для мікроелектронної апаратури характерно збільшення кількості вузлів, 
виконаних на основі цифрових схем, котрі виготовлені засобами 
напівпровідникової або гібридної технології. 
Однією з особливостей проектування мікроелектронної апаратури 
являється розширення можливостей стандартизації схемних рішень. 
При функціонально-вузловому проектуванні гостро постає питання 
електричного, конструктивного і технологічного узгодження інтегральних схем і 
мікрозборок, відмінних конструктивним виконанням, напругою живлення, рівнем 
вхідних та вихідних сигналів. 
Технологічність конструкції друкованих плат (ДП) – пристосованість 
конструкції ДП до обмеженої витрати трудових, матеріальних і енергетичних 
ресурсів на підготовку виробництва і промисловий випуск у заданій кількості по 
вищій категорії якості (виробнича технологічність) і при технологічному 
обслуговуванні і ремонті (експлуатаційна технологічність). Виробнича 
технологічність ДП визначається трудомісткістю виготовлення. Експлуатаційна 
технологічність ДП оцінюється контролездатністю і взаємозамінністю. 
Всі вироби електронної техніки (ВЕТ) працюють в однаковому тепловому 
експлуатаційному режимі від -50 до +60 С при номінальному електричному 
навантаженні і від -50 до + 115 С при зниженні електричного навантаження до 0,2 
РН. Мінімальний наробіток на відмову всіх ВЕТ 20000 часів. Термін зберігання 14 
років. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
59 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Обґрунтування вибору варіанта технологічного процесу. Для друкованої 
плати вибирається наступна схема технологічного процесу складання і монтажу 
радіоелементів. 
Складання і монтаж вузлів конструкції з ручним встановленням 
радіоелементів при використанні методу індивідуальної пайки. 
1. Заготівельні операції: 
• підготовка ЕРЕ до монтажу; 
• складання друкованої плати. 
2.  Складання і монтаж вузлів; 
3.  Операції пайки монтажних з’єднань на ДП. 
4.  Контроль. 
Типові операції складання і монтажу апаратури на ДП мають визначену 
структуру. 
Операції підготовки радіоелементів до складання: 
1.  Контроль радіоелементів по номіналам «придатний-непридатний»; 
2.  Рихтовка виводів; 
3.  Підрізка виводів; 
4.  Загинання виводів; 
5.  Вкладка радіоелементів в технологічні касети; 
6.  Лудження виводів радіоелементів; 
7.  Формування виводів радіоелементів. 
 Операції складання ДП: 
1.  Встановлення на плату пустотілих заклепок-пістонів; 
2.  Встановлення на плату контактів; 
3.  Встановлення на плату перемичок; 
4.  Встановлення на плату штирів; 
5.  Встановлення на плату радіоелементів; 
6.  Підготовка виводів радіоелементів; 
7.  Доскладання плати; 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
60 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
8.  Контроль правильності і якості встановлення радіоелементів. 
Операції пайки монтажних з’єднань на ДП: 
1.  Обезжирення плати; 
2.  Флюсування місць пайки; 
3.  Пайка з’єднань на платі; 
4.  Допайка з’єднань; 
5.  Промивка плати; 
6.  Висушування плати. 
Загальні вимоги до монтажу. Елементи при закріпленні їхніх виводів 
повинні бути по можливості розташовані так, щоб напис їхнього номіналу і 
маркірування були добре видні з однієї сторони та були зручні для читання. 
Проводи не повинні мати ушкоджень при монтажі (підпалів, надрізів і т.п.), 
що знижують їх механічну або електричну тривкість. 
Провідники перетином 0,35 мм і менше варто кріпити з виконанням повного 
обороту навколо контактного пелюстка, проводи перетином понад 0.35 мм - не 
менше обороту. 
Всі закріплені на пелюстках кінці монтажних проводів повинні бути щільно 
обжаті. 
При кріпленні проводів до контактних пелюстків необхідно ввести жилу в 
отвір пелюстка і загнути її по радіусі з утворенням гачка. 
Загальні вимоги на пайки. На якість паяних з’єднань суттєво впливають 
не тільки технологічні умови проведення процесу пайки, але і правильний вибір 
матеріалів: флюсів, припоїв, очисних рідин. 
Флюси, утворюючи рідину і газоподібну зони, які оберігають поверхню 
металу і розплавленого припою від окислення, розчиняють і видаляють вже 
існуючі плівки оксидів і забруднень з поверхні, покращують змочування металу з 
припоєм. Вибір флюсу проводиться виходячи з потрібної хімічної активності, яка 
повинна бути найбільшою в інтервалі температур, який визначається 
температурами плавлення припою. Він повинен швидко і рівномірно розтікатися 
по паяючих матеріалах, добре проникати в зазори і видалятися з них, легко 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
61 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
витіснюватися розплавленим припоєм, бути термічно стабільним, не виділяти 
шкідливих для здоров’я газів, не викликати корозію паяючих металів і припоїв. 
В якості припоїв використовуються різні кольорові метали та їх сплави, які 
мають більш низьку температуру, ніж з’єднувані метали. Виходячи із температури 
плавлення припої поділяються на низько-, середньо- і високотемпературні. Для 
пайки монтажних з’єднань РЕА використовують переважно низько- і середньо 
температурні припої Тпл< 450 C. Основними компонентами припоїв є олово і 
свинець, до яких для надання спеціальних якостей можуть добавлятися присадки 
сурьми, срібла, вісмута, кадмія. Так срібло і сурма підвищують, а вісмут і кадмій 
зменшують температуру плавлення і затвердіння припою. Вибір марки припою 
визначається призначенням і конструктивними особливостями виробів, типом 
основного металу і технологічного покриття, максимально допустимою 
температурою при пайці, а також технічних і технологічних вимог до паяних 
з’єднань. До технічних вимог відносяться: достатня механічна міцність і 
пластичність; задані теплопровідність і електричні характеристики; коефіцієнт 
термічного розширення (КТР) близький до КТР паяючого металу; корозійна 
стійкість як в процесі пайки, так і при експлуатації. 
Технологічні вимоги до припою передбачають добру змочуваність 
з’єднуваним ним металів, високі капілярні якості, малий температурний інтервал 
кристалізації для виключення появи пор і тріщин в паяних з’єднаннях. 
Пайка монтажних з'єднань повинна забезпечуватися надійністю 
електричного контакту і необхідною механічною тривкістю. 
Кількість флюсу, який наноситься на місце пайки, повинний бути 
мінімальним. Не припускається багате змочування флюсом місць пайки. 
Монтажні з'єднання варто лудити і паяти. Необхідно дотримуватися 
обережності від зайвого перегріву монтажних виробів, оплавлення ізоляції 
проводів і ізолюючих трубок, ослаблення або відпаювання контактних пелюстків, 
планарних або круглих виводів виробів електронної техніки. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
62 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Місце пайки повинне бути достатньо прогрітим за допомогою паяльника з 
забезпеченням повного розтікання розплавленого припою і відсутністю 
можливості появи помилкової пайки. Після пайки спаяне місце необхідно остудити 
при цьому спаяні вироби повинні бути нерухомими. Тривалість пайки виводів 
виробів електронної техніки повинна бути мінімально необхідною і бути не більш 
тривалості вказаної в ТВ на дані вироби електронної техніки або в технологічних 
рекомендаціях на пайку елементів. Якщо така вказівка відсутня, то орієнтовна 
тривалість пайки повинна бути не більше 5 с. 
Поверхня монтажних з'єднань повинна мати глянсовий вид без видимих 
пор, забруднень, напливів, гострих опуклостей припою, сторонніх вкраплень або 
окислів. Припій повинен заливати місце з'єднання виробів електронної техніки з 
усіх боків, заповнювати щілини і зазори між проводами і контактами. Кількість 
припою для пайки монтажних з'єднань повинно бути мінімальним. 
Паяння повинне забезпечувати при зовнішньому огляді розташування 
контурів підпаяних проводів. 
При монтажі штепсельного роз’єму припускається незначний наплив 
припою на зовнішню поверхню контакту. Не припускаються каплеподібні і 
шиповидні напливи. 
Температуру жала паяльника необхідно контролювати приладом 4-703 
МГ2.821.Э1649 або МПП-254М. 
Зальні вимоги до технологічного контролю. Змонтовані плати 
піддаються технічному контролю. Загальна структура контрольних операцій 
включає візуальний контроль монтажу, автоматичний контроль правильності 
монтажних з’єднань, функціональний контроль зібраних плат. 
Шляхом зовнішнього огляду і порівняння із зразками провіряють тип, 
номінальне значення, маркування, якість лудження виводів, відсутність подряпин, 
сколів, тріщин корпуса і пошкодження надписів.  
Всі контрольні операції повинні бути виконані відповідно до технічних 
умов і вимог і без погіршення якості монтажу. 
Надійність монтажних з'єднань перевіряється при зовнішньому огляді. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
63 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Механічну тривкість монтажних з'єднань припускається перевіряти 
вибірково, але не більш одного разу в процесі приймання монтажу. Зусилля 
повинно бути спрямоване уздовж осі припаяного проводу і не повинно 
перевищувати 0,5 кг. В окремих випадках припускається перевірка пінцетом, на 
губки якого повинні бути надягнуті ізоляційні трубки. 
Контроль правильності електричних з’єднань є необхідною операцією 
перед настройкою. В одиничному і дрібносерійному виробництві цю операцію 
виконують вручну за допомогою універсальної вимірювальної апаратури по картам 
опорів і монтажній схемі. 
В масовому виробництві широко використовують автоматичні тестери, які 
працюють по принципу неврівноваженого моста. Плата через з’єднувачі 
підключається до тестера, який по розробленій програмі перевіряє омічний опір 
кожної електричної ділянки і визначає її стан. Плати, які не пройшли перевірку 
монтажу поступають на ділянку ремонту. Годні плати поступають на 
функціональний контроль, де перевіряють логічні зв’язки елементів за допомогою 
діагностичних тестів. Плати, які мають відхилення вихідних параметрів 
поступають на регулювання, а несправні - на ремонт. 
Якість паяного з'єднання проводів перетином 0,12 мм2 і менше повинно 
перевірятися візуально. 
При контролі якості монтажу забороняється перегинати провід біля пайки. 
Перевірену пайку контролер повинний відзначати кольоровим лаком, що 
наноситься на місце спаю у виді невеличкого акуратної точки, що не мішає 
подальшому контролю пайки. Зафарбування лаком усієї пайки не припускається. 
Позначка повинна завдаватися відразу ж після перевірки кожної пайки. 
При об'ємному монтажі на друкованих платах припускається за 
узгодженням із замовником не робити нанесення що перевіряються паянь лаком. 
Загальні вимоги до складання. До виконання роботи зі складання ДП 
припускаються особи, що атестовані по операціях даного технологічного процесу. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
64 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Робітник при виконанні будь-якої виробничої задачі відповідає за якість 
виконання роботи і при здачі продукції майстру повинен відокремити придатну 
продукцію від браку. 
Складання і монтаж ДП у міру необхідності робітник повинен вести по 
індивідуальних технологічних картах і еталонних зразках. Складання компонентів 
на ДП складається із подачі їх до місця установки, орієнтація виводів відносно 
монтажних отворів чи контактних площадок, спряження із складальними 
елементами і фіксація в потрібному положенні. Воно в залежності від характеру 
виробництва може виконуватися вручну, механізованим чи автоматизованим 
методами. Використання ручного складання економічно доцільно при виробництві 
не більше 15 тис. плат в рік партіями по 100 штук. На кожній платі повинно бути 
розміщено не більше 100 елементів, в тому числі 20 інтегральних мікросхем. 
Суттєвою перевагою ручного складання є можливість постійного візуального 
контролю, що дозволяє використовувати відносно великі допуски на розміри 
виводів, контактних площадок і монтажних отворів.  
Всі операції необхідно робити з дотриманням вимог по техніки безпеки, 
виробничої санітарії й охороні праці. 
Технологічні витримки, що вказуються в технологічному процесі, повинні 
фіксуватися в спеціальному журналі і технологічному паспорті. Час технологічних 
витримок необхідно контролювати по часах відповідно до       ГОСТ 3309. 
При перерві виробництва більше одного місяця необхідно робити складання 
контрольної групи складальних одиниць і виробів по технологічному процесі в 
кількості не менше 5 штук під спостереженням технолога цеху. 
При складанні і здачі виробів необхідно додержуватися вимоги відповідно 
до СТП-803-78-87. 
Припускається використання технологічний тари АЛ7890-3054,        АЛ1056-
3190. 
Нормування монтажних робіт. Нормування монтажних робіт виконують 
на підставі карт технологічних процесів, що визначають порядок виконання 
операцій, використання приладів, інструментів, матеріалів, а також режимів 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
65 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
опрацювання і нормативів часу. При використанні вищевказаних даних можна 
розрахувати норми часу на різноманітні технологічні варіанти процесів. 
 Розрахунок норм штучного часу на операцію (хв.) визначається по 
формулі: 
Тшт = Топ  (1+К/100)                                                  (5.1) 
де Тшт – норма штучного часу, хв.; 
     Топ – оперативний час, хв.; 
       К – час на організаційно-технологічне обслуговування робочого місця, 
відпочинок і власні потреби у відсотках від оперативного часу, 14 %. 
Відповідно до складального креслення ДП приладу монтаж виробів 
електронної техніки на ДП має такі наступні переходи, що приведені в таблиці 5.1. 
 
Таблиця 5.1 – Оперативний час на виконання операцій по монтажу 
друкованої плати 
№ Назва роботи Кількість Оп, год, t, хв 
п/п елементів, Топ, хв. 
шт. 
1 Лудження резисторів 34 0,179 6,086 
2 Лудження конденсаторів 29 0,179 5,191 
3 Лудження мікросхем 11 0,839 9,229 
4 Лудження діодів  10 0,179 1,79 
5  Вирівнювання виводів виробів  
89 0,105 9,345 
електронної техніки 
 6  Зачищення виводів виробів  
89 0,155 13,795 
електронної техніки 
7  Обрізання виводів виробів  
89 0,074 6,586 
електронної техніки 
8  Установлення резисторів 34 0,168 5,712 
 
 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
66 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
 
Продовження таблиці 5.1 
 9  Установлення конденсаторів 29 0,138 4,002 
 10  Установлення інтегральних мікросхем 11 0,336 3,696 
11 Установлення діодів 10 0,168 1,68 
 12  Пайка кінців виводів виробів  
89 0,164 14,596 
електронної техніки 
Всього   81,708 
 
Tшт = Tоп К                                                          (7.2) 
Тшт = 81,708  (1+14/100) = 93,15 хв. 
В додатку Г наведений комплект документів на технологічний процес на 
монтаж виробів електронної техніки на ДП модуля вхідного підсилювача. 
 
  
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
67 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
6 Спеціальний розділ 
 
 
6.1 Економічне обґрунтування розробки системи управління реактором 
біогазової установки 
Для успішного впровадження проекту необхідно зробити економічне 
обгрунтування. Система управління реактором біогазової установки може мати 
значні економічні переваги, але їх важливо розрахувати та презентувати належним 
чином. Ось декілька основних факторів, які можна розглянути: 
Давайте розглянемо кожен з цих факторів більш детально: 
1. Витрати на розробку та впровадження: До цих витрат відносяться 
зарплати проектувальників та інженерів, вартість використовуваного обладнання, 
включаючи реактор для біогазу, датчики, контролери та інше обладнання, вартість 
монтажу та налаштування обладнання, а також вартість навчання персоналу. 
2. Економія від оптимізації процесів: Ефективне управління реактором 
може збільшити продуктивність біогазової установки, зменшити втрати сировини 
та відходи, а також знизити ризик аварій. Це може знизити потребу в 
обслуговуючому персоналі та знизити витрати на обслуговування та ремонт. 
3. Доходи від продажу біогазу: Біогаз може використовуватися для 
виробництва електроенергії, тепла або як замінник природного газу. Залежно від 
цін на ринку енергії та від місцевого законодавства, доходи від продажу біогазу 
можуть бути значними. 
4. Доходи від продажу біопродуктів: Біогазові установки також можуть 
виробляти біогумус або інші біопродукти, які можна продавати. Це залежить від 
конкретного виду сировини та технології виробництва. 
5. Економія на утилізації відходів: Біогазові установки можуть 
використовувати органічні відходи, такі як відходи сільського господарства, що 
зменшує витрати на їх утилізацію. 
6. Екологічні пільги та субсидії: Уряди багатьох країн стимулюють 
виробництво відновлюваної енергії через різноманітні програми підтримки. Це 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
68 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
може включати прямі субсидії, податкові пільги, а також гарантовані ціни на 
електроенергію, вироблену з біогазу. Потрібно дослідити місцеві можливості та 
включити їх у економічне обгрунтування. 
7. Покращення репутації компанії: У сучасному світі, де стали важливими 
питання сталого розвитку, впровадження екологічних технологій може покращити 
репутацію компанії. Це може привести до збільшення продажів, покращення 
відносин з місцевою спільнотою, а також збільшення привабливості для інвесторів. 
8. Довгострокові економічні перспективи: З огляду на глобальні тенденції 
до відмови від використання вуглеводнів та переходу до відновлюваних джерел 
енергії, біогазові установки і системи управління ними можуть стати все більш 
цінними активами в майбутньому. 
9. Зменшення залежності від енергопостачання: Використання біогазу може 
зменшити залежність від традиційних джерел енергії і викликаних ними коливань 
цін. Завдяки незалежності від вуглеводнів, біогазові установки можуть допомогти 
забезпечити стабільність енергопостачання. 
Розробка системи управління реактором біогазової установки не 
відбувається в вакуумі. Вона є частиною більшої картини, включаючи екологічні 
та енергетичні політики, глобальні та регіональні тенденції, а також технологічні 
інновації. 
- Екологічні та енергетичні політики: Уряди по всьому світу 
використовують різноманітні інструменти для стимулювання використання 
відновлюваних джерел енергії та зменшення викидів вуглецю. Ці політики можуть 
значно вплинути на економічну атрактивність біогазових установок. 
- Глобальні та регіональні тенденції: Зростання попиту на відновлювану 
енергію, зміни в сільському господарстві та управлінні відходами, а також інші 
глобальні та регіональні тенденції можуть вплинути на перспективи біогазових 
установок. 
- Технологічні інновації: Нові технології та інновації можуть знизити 
витрати на виробництво біогазу, покращити його ефективність та розширити його 
можливі застосування. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
69 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Усе це потрібно враховувати при розробці економічного обгрунтування для 
системи управління реактором біогазової установки. Необхідно провести глибокий 
аналіз, який б включав аналіз витрат, прогнозування доходів, оцінку ризиків, а 
також розгляд ширшого контексту. 
 
 
6.2 Охорона праці 
Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на інженера-
дослідника  в електротехнічній лабораторії 
В процесі праці робітник піддається впливу багатьох виробничих чинників, 
різноманітних за своїм походженням, формами прояву, характеру дії та ін. У  низці 
випадків ця дія може бути несприятливою. Така ситуація виникає тоді, коли 
система «людина – виробниче середовище» незбалансована, кількісні 
характеристики виробничих чинників відхиляються від нормованого рівня й не 
відповідають нормальному функціонуванню людини у виробничому середовищі. 
Тому в даному розділі буде проведений аналіз умов праці співробітника 
електротехнічної лабораторії, який виконуватиме роботу з розробки та 
моделювання системи керування біогазовим радіатором. 
За рівнем фізичних навантажень дана робота відноситься до категорії І а 
(робота з витратою до 120 ккал/год, сидячи без фізичної напруги). 
Робоче місце співробітника лабораторії є постійним і являє собою 
комп’ютерне крісло та стіл, на якому встановлений персональний комп’ютер, 
принтер. Воно знаходиться в окремому приміщенні, мебльованому робочими 
столами зі встановленими на них комп’ютерах.  
Розміри лабораторії становлять ширина – 6 м, довжина – 9 м, висота стелі – 
2,8 м, площа кімнати становить 54 м2. Приміщення розраховане на максимальну 
кількість працюючих 6 осіб, звідси площа, яка припадає на одну людину, дорівнює: 
9 м2 . Об’єм приміщення становить - 151,2 м3. Звідси  об’єм, який складає на одну 
людину, дорівнює  25,2 м3, що відповідає вимогам ДБН В.2.2.28-2010. 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
70 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Важливе значення мають фактори мікроклімату в робочому приміщенні, так 
як вони безпосередньо впливають на здоров’я та самопочуття інженера. Згідно 
ДСН 3.3.6.042-99 нормативні значення основних факторів мікроклімату наступні: 
1. температури повітря: 
− в теплий період року – 23-25 °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) ; 
− 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 – 30-31 °С; 
− в холодний період року –21-22 °С; 
2. вологість повітря: 
− в теплий період року – 50-53 %; 
− в холодний період року – 55-58 %; 
3. швидкість руху повітря: 
− в теплий період року – 0,08-0,1 м/с; 
− в холодний період року – 0,07-0,1 м/с. 
Фактичні параметри мікроклімату відповідають нормативним вимогам в 
холодний період року, але не відповідають в теплій період року згідно ДСН 
3.3.6.042-99. Тому в приміщенні лабораторії рекомендовано встановити систему 
кондиціонування повітря для підтримання температури повітря в теплий період 
року в межах норми. 
Для обігріву в холодний період в лабораторії використовується система 
централізованого водяного опалення, яка відповідає ДБН В.2.5.67-2013 «Опалення, 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
71 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
вентиляції та кондиціювання». Система опалення складається з 8 сучасних плоских 
секційних радіаторів, які встановлені безпосередньо під вікнами вздовж стін. 
Природне освітлення здійснюється через два вікна. Розміри двох вікон 
приміщення однакові і становлять 2 х 1,15 м. Робочі столи розташовані таким 
чином, що вікна знаходяться збоку від працюючого. Вікна обладнані 
сонцезахисними жалюзі. 
Нормування природного освітлення приводиться за допомогою коефіцієнта 
природної освітленості (КПО), вираженого в відсотках, який для даного типу 
зорової праці складає 2,5 % згідно ДБН В.2.5-28-2018. Фактичне значення КПО 
становить 27-29 %. Тому рівень природного освітлення відповідає ДБН В.2.5-28-
2018.  
Також в приміщенні передбачена система штучного освітлення. 
Лабораторія обладнана шістьма світлодіодними світильниками. Для даного типу 
зорової праці необхідна величина штучного загального освітлення складає 400 лк, 
фактична величина становить 428-440 лк, що відповідає ДБН В.2.5-28-2018. 
При роботі інженера-дослідника з монітором негативним фактором є 
підвищене зорове напруження, а також з іншими. Зокрема дослідник втомлюється 
від постійного ефекту миготіння, необхідності частої переадаптації очей до рівня 
освітлення екрану дисплея та загального освітлення приміщення. 
Оскільки дослідник проводить дуже велику кількість часу поряд з 
системним блоком комп’ютера, то шум також являється важливим фактором 
виробничого середовища. Головним джерелом шуму є вентилятор охолодження в 
системному блоці комп’ютера. Тривалий та інтенсивний шум негативно 
відбивається на здоров'ї людини, її працездатності. Тривала дія шуму викликає 
загальну втому, може поступово призвести до втрати слуху і до глухоти. Під 
втратою слуху розуміють збільшення порогу чутливості на визначеній частоті, так 
зване незворотне(стійке) зниження гостроти слуху від дії шуму.  
Згідно з ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми допустимих рівнів шуму на 
робочих місцях» нормативне значення еквівалентного рівня шуму при даному 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
72 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
видові діяльності та типу робочого місця складає 60 дБА. Дане робоче місце 
відповідає цій вимозі, оскільки фактичний рівень шуму складає 34-38 дБА. 
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. 
Тип робочого крісла дослідника обирається у відповідності ДСТУ 
7951:2015 «Дизайн і ергономіка. Крісло оператора. Загальні ергономічні вимоги» 
та в залежності від тривалості роботи: при тривалій – масивне, при короткочасній 
– крісло легкої конструкції, яке легко пересувати.   
Ширина столу 0,9 м, усі предмети, що знаходяться на ньому розташовані на 
відстані не більше 75 см від працівника, отже, вони знаходяться в робочій зоні. 
Висота столу 70 см; висота стільця 45см. 
Однотипність даних на екрані та очікування закінчення розрахунків може 
привести до додаткового виснаження ресурсів організму, швидше стомлення, 
значне зниження працездатності. Ступінь складності завдання полягає в виконанні 
обчислень, обробці отриманих результатів, визначаючи їх вірність та коректність, 
що відповідає допустимому класові умов праці. 
Основний вид роботи у приміщенні носить теоретичний характер: 
проводяться дослідження різноманітних блоків, ланцюгів приладу і обробка 
експериментальних даних. При проведенні цих робіт використовують контрольно-
випробувальну апаратуру, вимірювальні стенди. Тому у лабораторії знаходяться 
різного роду прилади, що живляться від мережі змінного струму напругою 220 В, 
50 Гц. Приміщення відноситься до категорії приміщень без підвищеної небезпеки 
ураження працюючих електричним струмом відповідно до ПУЕ. В лабораторії 
періодично проводиться перевірка справності електроустаткування. У ході роботи 
у лабораторії можуть утворюватися заряди статичної електрики, яка утворюється 
на поверхні діелектричних та напівпровідникових речовин, матеріалів виробів чи 
на ізольованих провідниках. Одним з основних засобів захисту від ураження 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
73 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
електричним струмом чи зарядом статичної електрики в лабораторії є система 
захисного заземлення відповідно ДСТУ Б В.2.5-36:2016. 
Лабораторія відноситься до приміщень з категорією 
вибухопожежонебезпеки типу В, згідно з ДСТУ Б В.1.1-82:2016. План евакуації 
розміщений на стіні біля входу в лабораторію з вільним доступом до нього. Для 
попередження пожеж в лабораторії використовується електрична пожежна 
сигналізація променевого типу та димові датчики типу (ИП-212) у кількості 4 штук 
відповідно ДБН В.2.5.56-2014. 
В даній лабораторії забезпечуються необхідні заходи щодо протидії 
виникнення пожежонебезпечних ситуацій згідно з НАПБ А.01.001-2014 «Правила 
пожежної безпеки в Україні». Приміщення лабораторії обладнане порошковим 
вогнегасником ВП-5, який знаходиться у кутку кімнати в місці вільного доступу, 
відповідно до Правил експлуатації та типових норм належності вогнегасників. 
В результаті проведеного аналізу, можливо зробити висновок, що в теплий 
період року температура повітря в приміщенні не відповідає нормативним 
вимогам. Тому пропонується розробити та встановити в приміщенні систему 
кондиціонування повітря.  
 
Розробка системи кондиціювання повітря в приміщенні лабораторії  
Розрахунок проводиться для теплого періоду року на охолодження. 
Розрахунок необхідно провести для приміщення з розмірами: довжина 9 м, ширина 
6 м, висота 2.8 м, і наступними кліматичними умовами: температура повітря в 
о
середині приміщення 24 С, вологість повітря 55%, кількість працюючих - 6 осіб, 
категорія робіт - легка, швидкість руху повітря не більше 0.1 м/с. Максимальна 
о
температура зовнішнього повітря 30 С. 
Розрахунок надходження тепла в приміщення: 
Тепловиділення від обладнання. 
Джерелами даного тепловиділення є чотири ПК. Тепловиділення від 
обладнання розраховуємо за формулою: 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
74 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
                                       Qоб =   F  (tпов − tв ) ,                                     (6.1) 
де α - коефіцієнт тепловіддачі від поверхні до повітря приміщення, 
ккал/(годм2оС); 
F = 0,6 м2 – площа нагрітої поверхні; 
t  = 38 опов С – температура нагрітої поверхні; 
t  = 24 ов С - температура повітря в приміщенні; 
де V = 0,1 м/с - швидкість руху повітря. 
Коефіцієнт   розраховують для твердих поверхонь з урахуванням 
швидкості руху повітря (V=0,1м/с) за формулою: 
                                         =10 0.1 = 3.16                                          (6.2) 
Звідси знаходимо тепловиділення від обладнання: 
Qоб = 3 3.16 0.6  (38− 24)= 79.6 ккал / год  
Тепловиділення від обладнання склало 79,6 ккал/год. 
6.2.1.2 Тепловиділення від штучного освітлення 
Тепловиділення від штучного освітлення розраховуємо за формулою: 
                                        Qосв = 860  Nосв ,                                           (6.3) 
де Nосв - сумарна потужність джерела освітлення, кВт; 
Враховуючи, що освітлення приміщення здійснюється 6 світильниками з 2 
люмінесцентними лампами по 80 Вт:   
Nосв=6·2·80=960 Вт 
Звідси кількість тепла: 
Qосв=860·0,96=825,6 ккал/год 
Отже, кількість тепла від світильників становить 825,6 Вт. 
Виділення тепла та вологи людьми 
Виділення тепла та вологи людьми розраховуємо за формулою: 
                                               Qл.пов =Qявн + Qзкр ,                                   (6.4) 
де Qл.пов - повне тепловиділення людиною, ккал/год; 
     Qявн - явне, тепловиділення людиною ккал/год; 
     Qпр - приховане тепловиділення людиною, ккал/год; 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
75 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
При температурі в приміщенні t = 24 0C , при категорії робіт – легка та для 
чоловіків: 
Qявн = 50 ккал / год ; 
Qпр = 80 ккал / год  
Враховуючи те, що в приміщенні працює 6 осіб: 
                                     Q = 6  ( )
л.пов Qявн +Qпр                                     (6.5) 
Qл.пов = 6  (50+80)= 780 ккал / год . 
Виділення тепла від людей в приміщенні становить 780 ккал/год. 
6.2.1.4 Надходження тепла через заповнення світлових отворів. 
Надходження тепла через заповнення світлових отворів розраховуємо за 
формулою: 
                 Q11 = (q1  F11 + q2  F12 )K відн.п + F  ((t з − tв )/ R0 ) ,                (6.6)   
де q1 і q2 - кількість тепла, що поступає в приміщення через одинарний 
засклений світловий отвір, що, відповідно, опромінюються та не опромінюються 
прямою сонячною радіацією, ккал/годм2; 
F11 і F12 - площа заповнення світлового отвору, що, відповідно, 
опромінюється та не опромінюється прямою сонячною радіацією, м2 , враховуючи 
те, що всі світлові отвори не опромінюються прямою сонячною радіацією: 
F 2 2
11 = 0 м , F = 2.5 м ;
12  
F = F11 + F12 - площа заповнення світлового отвору, що визначається його 
найменшим розміром в світлі; 
F = (F11 + F12 )= (0+ 2.5)= 2.5 м2
                                     (6.7) 
К відн.п = 0.61 - коефіцієнт відносного проникнення сонячної радіації через 
заповнення світлового отвору; 
R = 0.2 год  м2
0 0С / ккал - опір теплопередачі заповнення світлового отвору; 
tз = 30 0С , t 0
в = 24 С - температура зовнішнього та внутрішнього повітря, 
Спочатку знайдемо кількість теплоти q1 і q2: 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
76 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
                                      q1 = (qп + q р ) К1  К2 ,                                    (6.8) 
q2 = q p K1 K2 , 
де qп = 0  і q p = 55  ккал /(год м2 )  - кількість тепла прямої та розсіяної 
сонячної радіації відповідно, 
K1 =1.75  - коефіцієнт, що враховує затінення засклення світлових отворів, 
K2 = 0.90 - коефіцієнт, що враховує забруднення скла, 
q1 = (0 + 55) 1.75  0.9 = 86.7  ккал/годм2, 
q2 = 55 1.75  0.9 = 86.7  ккал/годм2. 
Сумарне надходження тепла через заповнення світлових отворів: 
Q11 = (86.7 0 +86.7 2.5)0.61+ 2.5  ((30− 24)/ 0.2)= 260.1  ккал/год. 
Через світлові пройми, згідно розрахунків, надходить 260,1 ккал/год. 
Сумарна кількість надходження тепла в приміщення 
Сумарна кількість надходження тепла в приміщення розраховується за 
формулою: 
Q =Qоб +Qосв +Qл.пов +Q11 = 79.6 + 825.6 + 780+ 260.1=1945.3 ккал / год . 
Сумарна кількість тепла, що надходить у приміщення склала 1945,3 
ккал/год. 
Розрахунок надходження вологи в приміщення 
Кількість вологи, що виділяється однією людиною при легкій роботі в 
приміщенні з t = 24oC дорівнює: 
Qвол =130 г/людгод = 0,13 кг/людгод, 
а 6-ма працюючими: 
Qвол =6130 = 780 г/людгод = 0,78 кг/людгод. 
Кількість вологи, що надходить від людей у приміщення 0,78 кг/люд. 
6.2.3 Розрахунок повітрообміну 
Тепловологістне відношення процесу асиміляції тепла та вологи: 
                                  =Q / Qвол =1945.3/ 0.78 = 2494ккал / год                               (6.9) 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
77 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Кількість повітря, потрібного для загальнообмінної вентиляції в 
приміщеннях з видаленням тепла, визначається за формулою: 
                                     Q1 = (m Q ) /(iр − iп ) ,                                  (6.10) 
де m =1 - коефіцієнт, який враховує долю тепла, що надходить в робочу 
зону; 
QΣ - кількість надлишкового повного тепла, що підлягає видаленню, 
ккал/люд; 
ip та in - ентальпія, відповідно, повітря в робочій зоні та припливного, 
вибираються за значенням ε по: iрз =14.3 ккал/кг, iпр =12.6 ккал/кг (при робочій 
різниці температур t  o
p = 6 C). Робоча різниця температур задається, виходячи з 
систем подачі припливного повітря та характеру роботи. Отже: 
                                             t p = tп − to ,                                           (6.11) 
де tn - температура в робочій зоні, оС;  
     t0 - початкова температура повітря, що надходить, оС. 
Звідси температура припливного повітря: 
tп = t p −t p = 24− 6 =18  оС 
Кількість повітря: 
Q1=(11945,3)/(14.3-12.6) = 1144 кг/год. 
Об’єм повітрообміну для видалення тепла з приміщення отримано 1144 
кг/год. 
Продуктивність систем кондиціонування повітря 
Повна продуктивність системи кондиціонування повітря розраховується за 
формулою:   
                                           Lп = К  L ,                                            (6.12) 
де К=1- коефіцієнт врахування втрат повітря у сітці, якщо кондиціонер 
встановлений всередині приміщення. 
Корисна продуктивність системи кондиціонування повітря, м3/год: 
L = L1 , 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
78 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
де L1 - визначають, виходячи з максимальних надлишків явного тепла: 
Q
                                      L = 
1 ,                                      (6.13) 
c    (t p − tn )
де QΣ - сума надлишкових виділень тепла в приміщенні, ккал/год. 
        - густина повітря (1.22 кг/м3); 
       с - теплоємність повітря (с = 0.24 ккал/кгоС); 
tp, tn - температура відповідно видаляємого і припливного повітря, оС. 
L = 1945.3
1 =1107 м3 / год  
0.24 1.22  (24−18)
 Звідси повна продуктивність: 
Lп =11107 =1107м3/год. 
Отже, повна продуктивність кондиціонера становить 1107 м3/год. 
Розрахунок потужності повітроохолоджувача 
Максимальні витрати холоду в кондиціонері для теплого періоду року 
розраховуються за формулою: 
                                   Qх = Lп   (iр − iп ),                                          (6.14) 
де Lп - повна продуктивність системи, м3/год. 
       - густина повітря припливного повітря, кг/м3. 
        io та in - ентальпія відповідно зовнішнього повітря і припливного 
повітря, ккал/кг. 
Отримуємо: 
Qх =11071.2(14.5-12.6)= 2524 ккал/год. 
Переведемо отримане значення потужності охолодження в Вт: 
                         N =Qx 1.163= 2524 1.163= 2935  Вт.                    (6.15) 
  Потужність повітроохолоджувача кондиціонера отримана у 2935 Вт. 
6.2.6 Вибір моделі кондиціонера 
Провівши розрахунок параметрів кондиціонера, виберемо з існуючих 
вітчизняних та зарубіжних зразків найбільш підходящий кондиціонер. 
В ході розрахунку були отримані такі параметри: 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
79 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
1. Повна продуктивність системи кондиціонування повітря: Lp=1107 м3/год; 
2. Потужність охолодження: P=2935 Вт. 
Згідно отриманих за розрахунками даних обираємо кондиціонер SAMSUNG 
AQ12EWGN. 
 
Рисунок 6.1 – Зовнішній вигляд кондиціонера SAMSUNG AQ12EWGN 
 
Технічні параметрами кондиціонера: 
- Рекомендована площа приміщення - 35 кв. м; 
- Тип компресора - звичайний; 
- Тип фреону - R410A; 
- Холодопродуктивність - 3,5 кВт; 
- Теплопродуктивність - 3,8 кВт; 
- Рівень шуму, внутрішній блок - 35 дБА; 
- Рівень шуму, зовнішній блок - 50 дБА; 
- Режими роботи - автоматичний, вентилятор, нічний, обігрів, 
осушення, охолодження, очищення повітря, турборежим 
- Споживана потужність обігрів/охолодження - 1,053/1,09 кВт; 
- Діапазон зовнішньої робочої температури - -5 - +43 °С; 
- Напруга/частота живлячої мережі - 220-240 В/50 Гц; 
- Коефіцієнт ефективності EER (по холоду) - 3,21; 
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
80 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
- Коефіцієнт ефективності COP (по теплу) - 3,61; 
- Осушення - 1,5 л/год; 
- Максимальна довжина магістралі - 15 м; 
- Максимальний перепад висот - 7 м; 
- Витрата повітря (макс.): 570 куб. м/год; 
- Габарити внутрішнього блока - 28,5х82х19 см; 
- Габарити зовнішнього блока - 47х66х24 см; 
- Вага внутрішнього блока - 9,8 кг; 
- Вага зовнішнього блока - 26,5 кг. 
 
 
 
  
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
81 
З м. Лист № докум. Підпис Дата 
 
Висновок 
 
В результаті роботи над проектом було розроблено інноваційний пристрій 
для автоматизованого керування ключовими елементами біореактора: нагрівачем 
та клапаном тиску газу. Цей пристрій відіграє критичну роль у підтримці 
оптимальних умов для біологічних процесів, що відбуваються у біореакторі. 
Розроблений пристрій дозволяє підтримувати задану температуру, 
необхідну для ефективного виділення газу з субстрату. Це допомагає оптимізувати 
процеси біо-трансформації та гарантує стабільність біохімічних реакцій.  
Також одним з ключових аспектів цього пристрою є його здатність 
контролювати тиск газу. При перевищенні заданого рівня тиску, пристрій 
автоматично відкачує газ, тим самим запобігаючи потенційно небезпечним 
ситуаціям та забезпечуючи безперебійність роботи біореактора. 
Під час проектування пристрою було дотримано всіх вимог технічного 
завдання, що свідчить про високий рівень виконаної роботи та дотримання всіх 
необхідних стандартів та протоколів. Це забезпечує надійність пристрою та його 
високу ефективність у практичному застосуванні. 
Отже, дана розробка відкриває нові можливості для оптимізації та 
автоматизації процесів у біореакторах, підвищуючи їх продуктивність та безпеку. 
Далі планується провести ряд тестів та вдосконалень, щоб забезпечити 
максимальну ефективність і надійність пристрою у різних умовах 
  
Арк  
 РС93.21048.001 ПЗ 
82 
З м. Лист № докум. Підпис Дата