Система  автоматичного контролю технологічних газів

Безверхий, Михайло Васильович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8621

Title:	Система автоматичного контролю технологічних газів
Authors:	Базіло, Костянтин Вікторович Безверхий, Михайло Васильович
Issue Date:	20-Jun-2022
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8621
Appears in Collections:	151 Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології (Робототехнічні системи та автоматизація)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
КРБ Безверхий М.pdf Restricted Access	КРБ Безверхий М.	1.16 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Зміст

С т о р .
Технічне завдання.................................................................................... 2
Вступ.......................................................................................................... 5
1 Обґрунтування необхідності проектування на основі аналізу
літературних джерел............................................................................................ 8
1.1 Детектор тиску.................................................................................... 9
1.2 Детектор імпульсного тиску............................................................. 12
1.3 Детектор тиску газу............................................................................ 13
1.4 Детектор тиску.................................................................................... 15
1.5 П'єзоелектричний детектор тиску………………………………… 16
1.6 Засіб контролю параметрів газового середовища і пристрій для
його здійснення ………………………………………………………………… 18
2 Обґрунтування технічного завдання.................................................. 24
3 Розробка структурної та принципової схеми системи...................... 26
3.1 Принцип дії реєстратора.................................................................... 26
3.2 Принцип дії детектора....................................................................... 28
3.3 Розробка принципової схеми………….......................................... 31
4 Розрахунок блоку перетворювача....................................................... 34
4.1 Призначення блоку і технічні вимоги.............................................. 34
4.2 Вибір елементної бази....................................................................... 34
4.3 Розрахунок блоку на вплив тепла................................................... 35
4.4 Розрахунок маси блоку.................................................................... 45
4.5 Розрахунок надійності..................................................................... 45
5 Технологічний розділ......................................................................... 48

РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подп. Дата

Разраб. Безверхий
Система автоматичного Лит. Лист Листов
Провер. Базіло К.В. контролю технологічних газів 3 105
. Пояснювальна записка
Н. Контр. Тичков В.В. ЧДТУ
Утверд.
5.1 Аналіз елементної бази перетворювача......................................... 48
5.2 Обґрунтування вибору варіанта технологічного процесу............ 49
5.3 Загальні вимоги до монтажу........................................................... 50
5.4 Загальні вимоги на пайку................................................................ 50
5.5 Зальні вимоги до технологічного контролю.................................. 52
5.6 Загальні вимоги до складання......................................................... 54
5.7 Нормування монтажних робіт......................................................... 55
6 Спеціальний розділ 57
6.1 Економічне обґрунтування розробки приладу 57
6.2 Охорона праці…………………………………………………….. 62
Висновок………………………………………………………………. 74
Список використаної літератури.......................................................... 75
Додаток А Відомість технічного проекту............................................
Додаток Б Список нормативної документації.....................................
Додаток В Перелік елементів та специфікації....................................
Додаток Г Результати розрахунків елементів пристрою на ЕОМ....
Додаток Д Документація на технологічний процес складання
друкованої плати блоку....................................................................................
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 4
Вступ

Автоматизація виробничих процесів є одним з основних напрямків
технічного прогресу виробництва. Вона дуже впливає на виконання програми
побудови матеріально-технічної бази в нашій країні.
Дуже важливе значення має автоматизація електротехнічної
промисловості, темпи розвитку якої за останні роки різко зросли. Автоматизація
дозволяє збільшувати продуктивність технологічного устаткування і
продуктивність праці обслуговуючого персоналу, поліпшує якість продукції,
підвищує безпеку роботи, а також дозволяє здійснювати нові високо інтенсивні
процеси, недоступні при ручному керуванні[1].
Будучи якісно новим етапом в удосконалюванні виробництва,
автоматизація активно вторгається в суміжні області, вимагаючи перебудови
технології, апаратури й організації виробництва. Найбільший ефект впровадження
автоматизації приносить у тих випадках, коли виробництво проектується з
урахуванням її вимог, тобто коли технологи, конструктори, фахівці з організації і
планування працюють у тісному контакті з фахівцями з автоматизації. Така
спільна робота вимагає їхнього взаєморозуміння, що може бути досягнуто лише в
тому випадку, якщо фахівці різних профілів будуть мати хоча б загальні
представлення про автоматизацію виробничих процесів.
До дійсного часу в автоматизації технологічних процесів технічної
промисловості досягнуті значні успіхи. Пророблено велика робота з вивчення всіх
розповсюджених технологічних процесів, як об'єктів автоматизації; розроблені і
перевірені на практик схем автоматичного регулювання окремих вузлів, агрегатів,
виробничих ділянок і цехів з використанням серійної апаратури автоматизації;
розроблені численні спеціалізовані засоби автоматизації (датчик, регулювальний
орган і т.д.), пристосування для роботи в умовах експлуатації технічної
промисловості. Накопичений у цій області досвід дозволяє проектувати системи
автоматизації технологічних процесів для всіх знову споруджуваних чи
модернізованих підприємств технічної промисловості[1].
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 5
Досвід впровадження автоматизації показав її високу економічну
ефективність, що досягається завдяки збільшенню продуктивності устаткування,
зменшенню питомих матеріальних і енергетичних витрат, підвищенню якості
продукції, що випускається, і скороченню її трудомісткості. При цьому
найбільший ефект досягається в тих випадках, коли впровадження автоматизації
супроводжується модернізацією виробництва, тобто переходом до більш
зробленого технологічного процесу і нового обладнання.
Для технічної промисловості особливо важливе значення має ще одна
сторона автоматизації вивільнення частини обслуговуючого персоналу (особливо
в технологічних приміщеннях) і значне поліпшення умов праці робітників.
Автоматизація дає економічний ефект та піднімає технічний рівень
промисловості. При використанні системи автоматичного керування отримується
висока точність підтримки заданого режиму роботи, що дає значно
інтенсифікувати технологічні процеси. Багато технологічних процесів
виявляється можливим реалізувати тільки як автоматизовані, тому що ручне
керування не гарантує безпечного їхнього ведення й одержання продукції заданої
якості. Застосування систем автоматичного дистанційного керування дозволяє
широко практикувати розміщення технологічного устаткування на відкритих
площадках[1].
Дотепер основним напрямком автоматизації технологічних процесів у
технічній промисловості є застосування простих стабілізуючих систем
автоматичного регулювання, що забезпечують підтримку заданих значень
регульованих параметрів і в сукупності складають системи автоматизації окремих
об'єктів технологічного ланцюга. При їхній експлуатації людині-оператору
доручаються відповідальні функції. Він повинний вибирати і встановлювати
задані значення регульованих параметрів окремим стабілізуючим системам
автоматичного регулювання в залежності від стану об'єкта регулювання, а також
від стану об'єктів, суміжних з ним у технологічному ланцюзі. Крім того, оператор
повинен керувати процесом у режимі пуску, зупинки й в аварійних ситуаціях.
Отже, ефективність роботи системи автоматизації даного типу деякою мірою
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 6
залежить від кваліфікації, досвіду і здібностей оператора. Ці фактори виявляються
особливо сильно при регулюванні технологічних процесів, для яких характерні
часті зміни умов роботи, наприклад, складу сировини, навантажень, активності
каталізатора і т.д. Усі ці зміни вимагають внесення тих чи інших коректив у
роботу стабілізуючих систем автоматичного регулювання, що повинний
здійснити оператор. Для підвищення ефективності керування подібними
технологічними процесами необхідно створювати більш зроблені системи
автоматичного регулювання, зокрема , системи автоматичної оптимізації[1].
Показники збагачення на діючих збагачувальних фабриках залежать від
знання параметрів регулювання процесів, уміння оперативно застосовувати
накопичений досвід експлуатації технологічного устаткування.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 7
1 Обґрунтування необхідності проектування на основі аналізу
літературних джерел

Широке використання тиску в наукових дослідах і в різних галузях
промисловості викликає необхідність застосування більшого числа засобів
вимірювання тиску і різниці тисків, різноманітних по способу їх дії, конструкції,
призначення і точності. При вимірюванні тиску нас можуть цікавити абсолютний,
надлишковий і вакуум – метричний тиск. Абсолютний тиск необхідно знати в
тих випадках, коли вплив атмосферного тиску виключити не можна, як,
наприклад, при вивчені питань стану робочих тіл, при визначенні температури
кипіння різноманітних рідин і в інших подібних випадках[2].
При контролі технологічних процесів і при проведенні наукових дослідів в
більшості випадків доводиться мати справу з вимірюванням надлишкового і
вакуум метричного тисків, а також із вимірюванням різниці тисків.
Під терміном абсолютний тиск мається на увазі повний тиск, під яким
знаходиться рідина, газ або пара. Він дорівнює сумі тисків надлишкового pи і
атмосферного pa [2]:
p= pи+ pa (1.1)
Із цього рівняння
ри= p – pa, (1.2)
тобто надлишковий тиск дорівнює різниці між абсолютним тиском,
більшим за атмосферний, і атмосферним тиском.
Під терміном вакуумметричний тиск (розрідження або вакуум) мається на
увазі різниця між атмосферним тиском і абсолютним тиском, меншим за
атмосферний:
рв = ра – р. (1.3)
Прилад, що вимірює атмосферний тиск, називають барометром, звідси
атмосферний тиск – барометричним. Прилад, призначений для вимірювання
абсолютного тиску, називають манометром абсолютного тиску. Прилад, що
вимірює надлишковий або вакуумметричний тиск, - відповідно манометром
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 8
надлишкового тиску і вакуумметром. Прилад, що вимірює надлишковий тиск
(наприклад, тиск повітря, що подається в топку котла) і розрідження газу
(наприклад, в газоході котла), називається відповідно напороміром і тягоміром.
Прилад, призначений для вимірювання вакуум метричного і надлишкового тисків,
називають мановакуумметром, а для вимірювання малих тисків і розріджень газу
(наприклад, в топці котла) – тягонапороміром. Прилад, що вимірює дуже малі
тиски (нижче і вище барометричного) і незначні різниці тисків, називають
мікроманометром; прилад, призначений для вимірювання різниці тисків, -
диференціальним манометром (дифманометром).

1.1 Детектор тиску
Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний
для вимірювання високого тиску в рідинах і газах. Метою винаходу є підвищення
точності. Це досягається тим, що в детекторі тиску чутливий елемент виконаний
із двох шарів 2 і 3, шар 2- оптичний кристал, смуга люмінесценції якого залежить
від тиску, шар 3- прозора пружна речовина. Промінь лазера, що викликає
люмінесценцію, фокусується в центрі оптичного кристала 2, світловий потік
люмінесценції виводиться через прозорий шар 3, конічний канал в корпусі 1 і
лінзу 4. Акустична хвиля, створена імпульсом тиску, проходить шар 2 і шар 3 і
відображається від вільної поверхні шару 3, для зменшення впливу відображеної
хвилі збільшена загальна товщина I+h шарів 2 і 3, а для збільшення світлового
потоку люмінесцентного випромінювання в корпусі 1 виконаний конічний канал і
встановлена лінза[2].
Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний
при створенні систем для вимірювання тиску в рідинах і газах.
Метою винаходу є підвищення точності вимірювання тиску.
На кресленні дана конструктивна схема детектора.
Він складається з корпуса 1, закріпленого в ньому оптичного
двохшарового кристала з люмінесцентною речовиною 2, сприймаючим загрузку,
що створюється тиском, і прозорим 3, що контактує безпосередньо з отвором
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 9
каналу в корпусі 1. в кінці конічного каналу, віддаленого від кристала,
встановлена фокусуючи лінза 4. Кут конусності каналу залежить від діаметра і
фокусної відстані лінзи і пов'язаний з ними співвідношенням tg(α/2)=D/(2*F), де D
і F – діаметр і фокусна відстань лінзи 4; α – кут конусності каналу[2].
Розміри шарів 2 і 3 кристала і відповідно I і h – товщина шарів
взаємопов'язані з найменшим діаметром d каналу і визначається
співвідношенням[2]:

h + I / 2 F
≤ . (1.4)
d D
Детектор тиску працює наступним чином.
Тиск діє безпосередньо на люмінесцентну речовину 2 і викликає зсув
смуги люмінесценції в його секторі. Світло від люмінесцентної речовини 2
проходить через шар прозорої речовини 3, конічний канал в корпусі 1 і лінзу 4 на
регістратор.
Наявність конусного каналу в корпусі 1 детектора і вільної поверхні
кристала 3, що прилягає до меншого отвору каналу, приводить до відображення
частини акустичної хвилі від цієї вільної поверхні, що погіршує частотні
характеристики детектора. Величина цього негативного ефекту зменшується із
зменшенням відношення d/δ, де δ – ширина кристалу. В реальних конструкціях ці
відношення важко зробити менше 0,1. Щоб зменшити вплив відображеної хвилі
на точність вимірювання, можна віддалити центр кристалу 2 від отвору каналу. З
цією метою чутливий елемент зроблений двохшаровим, як показано на кресленні,
що має шар з люмінесцентною речовиною 2 і прозорий шар 3. Вплив
відображеної хвилі зменшується обернено пропорційно квадрату відстані від
отвору. Для зменшення впливу відображеної хвилі в 100 раз достатньо виконати
умову[2]:
(h + I / 2)^2 ≥ 100 або h + I / 2
≥ 10 (1.5)
d d
Тут d=0.3δ. h≥3 δ-0.5I.
Якщо чутливий елемент квадратного перерізу, то h≥2.5I.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 10
Зміщення отвору для виведення випромінювання люмінесценції від центру
кристала 2 на товщину прозорого шару 3 зменшує апертуру вихідного променя в
площині отвору, тому для збереження світлосили детектора відстань отвору від
центру кристала визначається співвідношенням[2]:
h + 0.5I F
≤ . (1.6)
d D
Детектор тиску дозволяє проводити виміри з використанням лазера для
збудження люмінесценції і спектрального оптичного приладу для розшифровки
зміни частоти люмінесцентні під впливом вимірюваного тиску.
Для покрашення точності вимірювання і підвищення відношення сигнал-
шум випромінювання лазера, збуджуючого люмінесценцію, поступає в детектор
корпуса 1 через лінзу 4 або об'єктив так, що паралельний промінь лазера
фокусується в центрі кристалу 2. З цього ж місця люмінесцентне випромінювання
через лінзу 4 (об'єктив) виходить з детектора корпуса 1 в вигляді проміння,
близького до паралельного.
В випадку, якщо в якості кристалу вибраний рубін, а корпус виконаний зі
сталі, то пропонований детектор дозволяє вимірювати тиск в рідких і
газоподібних середовищах в діапазоні від 200 до 100000 атм[2].

Рисунок 1.1 – Конструкція детектора тиску[2]

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 11
1.2 Детектор імпульсного тиску
Винахід відноситься до вимірювальної техніки, зокрема до вимірювання
динамічних тисків, і може бути використано в експериментальній фізиці[3].
Відомі детектори імпульсного тиску, які мають п'єзоелектричний
перетворюючий елемент, закріплений на волноводі, акустичний волновий опір
якого узгоджено з перетворюючим елементом. При цьому волновід може бути
виконаний із кераміки, кварцу і т. д.
Недоліком такого детектора є низька точність за рахунок невеликого часу
реєстрації неперекрученого сигналу[3].
Відомі детектори, в яких волновід виконаний із металу свинцю, сталі і т. п.
значної довжини.
Але цей детектор має великі габарити.
Мета винаходу – підвищення точності вимірювання і зменшення габаритів
детектора імпульсного тиску.
Ця мета досягається за рахунок того, що в детекторі імпульсного тиску, що
має п'єзоелектричний перетворюючий елемент, закріплений на акустичному
воловоді із полімерного матеріалу, волновід містить твердий металевий
наповнювач, кількість якого зменшується в напрямку вільного торця воловода,
причому в якості полімерного матеріалу використаний
поліолігокарбонатметакрилат , а в якості наповнювача – порошок вольфраму[3].
На кресленні показано принципової схеми пропонованого детектора
імпульсного тиску.
Детектор складається із п'єзоелемента 1 з верхнім 2 і нижнім 3
електродами, волновода з полімерного матеріалу з нерівномірно розташованим
наповнювачем 4, корпуса 5, звукоізолюючих опірних кілець 6, електричного
високочастотного роз'єму 7 і кабелю 8[3].
Детектор працює наступним чином. При дії реєструючого імпульсу тиску
на п'єзоелемент 1 між електродами 2 і 3 виникає різниця потенціалів, для
реєстрації якої детектор через кабель 8 підключається до імпульсного
осцилографа. Після проходження через п'єзоелемент, пружна хвиля входить в
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 12
акустичний волновід 4 і розповсюджується в ньому, поступово послаблюючись.
При доходженні до кінця волновода, пружна хвиля відображається і повертається
до п'єзоелемента, на якому повторно виникає різниця потенціалів, яка
реєструється осцилографом . Амплітуда відображеного сигналу завжди менша
основного. Її величина визначається, в основному, якостями матеріалу, з якого
виконаний волновід. Час між основним і першим відображеними імпульсами
називається часом не викривленої реєстрації і визначається якостями матеріалу, із
якого виконаний волновід, і його довжиною[3].
Дякуючи тому, що до п'єзоелемента прилягає кінець полімерного
волновода з максимальним вмістом наповнювача, здійснюється їх акустичне
узгодження, і на межі п'єзоелемента і воловода відсутні відображені сигнали, а
нагромаджувач істотно зменшує енергію хвилі. В результаті вдається добитися
збільшення не викривленої реєстрації сигналу і зменшення габаритів детектора.
Відповідно, детектор має покращенні метрологічні характеристики[3].

Рисунок 1.2 – Конструкція імпульсного детектора тиску

1.3 Детектор тиску газу
Винахід відноситься до вимірювальної техніки, конкретно до
тензометричних індикаторів. Для підвищення точності вимірювань в якості
мембрани детектора використано дно 2 поршня 1 машини. На внутрішній
поверхні дна 2 розміщений тензометр 3. Рух поршня 1 в циліндрі компресора
викликає зміни тиску на дно 2. Електричний опір тензометра 3, що змінюється
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 13
при цьому, фіксується вимірювальним приладом. В процесі вимірювань
виключена зміна об'єму камери детектора.
Винахід відноситься до вимірювальної техніки, а саме до тензометричних
індикаторів, і може бути використано для зняття індикаторних діаграм
малогабаритних поршневих машин[4].
Мета винаходу – підвищення точності за рахунок виключення зміни об'єму
камери.
Детектор складається з поршня 1, дно 2 якого виконано у вигляді пружної
мембрани, на яку наклеяний тензометр 3.
При руху поршня 1 в циліндрі компресора змінюється тиск газу, що
стискується ( робочого тіла на дні 2 поршня ). При збільшенні тиску пружне дно 2
поршня , виготовлене у вигляді мембрани, прогинається. При цьому змінюється
електричний опір тензометра 3, встановленого на дно 2 поршня. Реєструючи цю
зміну і перетворюючи цю величину з допомогою вимірювальних приладів у
величину тиску газу, діючого на дно поршня, контролюють цей тиск[4].

Рисунок 1.3 – Конструкція детектора тиску газу[4]

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 14
1.4 Детектор тиску
Винахід відноситься до контрольно – вимірювальної техніки і може бути
використано в різних пристроях, призначених для вимірювання швидкозмінних
тисків.
Відомий детектор тиску, що містить акустичний хвилевід і п'єзоелемент.
Але в цьому детекторі хвилевід виконаний суцільним, що не дозволяє
здійснювати демпфірування хвиль деформацій[5].
Відомий детектор тиску, в якому хвилевід має розвинуту поверхню, за
рахунок чого досягається деяке демпфірування хвиль деформацій. Але це
демпфірування недостатнє[5]..
Метою винаходу є підвищення точності вимірювання за рахунок
виключення перешкод, викликаних поверненням хвиль деформацій до
п'єзоелемента[5]..
Це досягається тим, що в детекторі тиску, що містить розташовані в
корпусі чутливий п'єзоелемент і акустичний хвилевід, останній виконаний у
вигляді пучка волокон, матеріал яких ідентичний матеріалу п'єзоелемента[5]..
Детектор включає п'єзоелемент 1, в якості якого можна застосувати
кварцовий кристал, і акустичний хвилевід 2, функцію якого виконує світловід.
Світловід і п'єзтоелемент містяться в корпусі 3. Простір між акустичним
хвилеводом 2 і корпусом 3, а також між волоконний простір світловода заповнені
демпфіруючою речовиною 4, наприклад губоподібним матеріалом ВКА-С-4М.
Між п'єзоелементом і світловодом розміщений електрод 5, електричний
сигнал з якого знімається кабелем 6, причому п'єзоелемент 1, електрод 5 і торець
світловода 2 зв'язані епоксидною смолою. Другим електродом служить мембрана
7, що закриває торцеву (робочу) поверхню детектора[5]..
Детектор працює наступним чином.
Вимірюваний тиск діє через мембрану 7 на п'єзоелемент 1, при цьому
викликана імпульсом тиску хвиля деформацій розповсюджується по волоконному
світловоду 2, і її енергія розсіюється через бічну поверхню волокон і
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 15
демпфіруючу речовину 4. Тим самим забезпечується захист п'єзоелектричного
елемента 1 від внутрішніх перешкод відображених хвиль деформацій[5]..
Застосування детектора дозволить підвищити достовірність результатів
вимірювання швидкозмінних тисків.

Рисунок 1.4 – Конструкція детектору тиску[5].

1.5 П'єзоелектричний детектор тиску
Винахід відноситься до контрольно-вимірювальної техніки, зокрема до
детекторів для зміни швидкозмінного тиску.
Відомі п'єзоелектричні детектори для вимірювання швидкозмінного тиску,
які мають п'єзоелектричний елемент і циліндричний хвилевід. Максимальний час
реєстрації процесу такими детекторами визначається моментом приходу до
п'єзоелектричного елементу хвилі тиску, відображеного від заднього торця
хвилевода і пропорційно довжині хвилевода. Великі розміри детекторів
створюють незручності при експлуатації[6].
Цей недолік усунений в п'єзоелектричних детекторах тиску з дисипацією
енергії відображеної хвилі при її зворотному русі до п'єзоелектричного елементу.
Відомі також п'єзоелектричні детектори тиску, які мають розміщені по
осях в корпусі з'єднані між собою п'єзоелектричний елемент і акустичний
хвилевід, задня частина якого обладнана розширювачем з розвинутою розсіючою
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 16
поверхнею. Ці детектори складні у виготовленні із-за складної конструкції
розширювача[6].
При спрощенні конструкції в даному датчику передня частина хвилевода
виконана у вигляді диску з більшим поперечним перерізом, ніж інша частина.
В корпусі 1 детектора розміщений п'єзоелектричний елемент 2, з'єднаний
пайкою або вклейкою з хвилеводом 3. Передня частина хвилевода виконана у
вигляді диску з більшим поперечним перерізом, ніж інша частина[6].
Хвилевід скріплений з корпусом детектора за допомогою фторопластової
прокладки 4, електроізолюючої шайби 5 і різьбового з'єднання з гайкою 6 на
задній частині хвилевода. З корпусом детектора герметично з'єднана кришка 7 з
центральним отвором під п'єзоелектричний елемент 2. Зазор між кришкою і
п'єзоелектричним елементом закритий прикріпленою до них тонкою фольгою 8,
що забезпечує ємнісний електричний зв'язок п'єзоелектричного елемента з
корпусом детектора[6].
Детектор працює наступним чином.
При зміні тиску виникають деформації фольги 8 і п'єзоелектричного
елемента 2, на якому виникає електричний сигнал. Цей сигнал потрапляє на
реєструючий прилад через хвилевід 3, який слугує одночасно вивідною клемою.
Акустичні збурення, що виникають при раптовій зміні тиску, рухаючись
по хвилеводу 3, потрапляють в периферичну частину диску і ефективно
розсіюючись, чим забезпечується малий рівень електричного сигналу детектора.
Спрощення конструкції хвилевода призводить до спрощення конструкції
всього п'єзоелектричного детектора тиску, що спрощує його виготовлення,
монтаж і, відповідно, вартість. Крім того, це дозволяє виготовляти детектори з
максимальним розміром менше 1 см[6].
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 17

Рисунок 1.5 – Конструкція п'єзоелектричного детектора тиску[6]

1.6 Засіб контролю параметрів газового середовища і пристрій для
його здійснення
Винахід відноситься до приладобудування і дозволяє підвищити точність
контролю параметрів газового середовища при понижених тисках.
Високочастотні коливання з генератора 4 подають на перетворювач 2
поверхневих акустичних хвиль і збуджують на підніжці звукопроводу 1
поверхневі акустичні хвилі на частоті 10-50 МГц. З перетворювача 3 вихідний
сигнал подається через підсилювач 5 на індикаторний блок 6. В досліджуваному
газі створюють електричний розряд між електродами 7 і 8. Одночасно з цим з
перетворювача 3 знову поступає сигнал через підсилювач 5 на індикаторний блок
6, де він зрівнюється з попереднім сигналом. По різниці характеристик
поверхневих акустичних хвиль визначаються параметри досліджуваного газового
середовища[7].
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 18

Рисунок 1.6 - Конструкція контролю параметрів газового середовища[7]

Винахід відноситься до приладобудування і може бути використано для
контролю параметрів газових середовищ при проведенні технологічних процесів
при знижених тисках[7].
Мета винаходу – підвищення точності контролю параметрів газового
середовища при знижених тисках[7].
Засіб полягає в тому, що при створенні електричного сигналу над
поверхнею звукопроводу в результаті взаємодії поверхневої акустичної хвилі з
електронно-іонною компонентою струму розряду відбувається сильна зміна
характеристик вказаних хвиль. Але така взаємодія ефективна лише в тому
випадку, коли кінетична енергія заряджених частинок W у поверхні звукопроводу
не перевищує значно їх енергію в електричному потенціалі поверхневої
акустичної хвилі φ, тобто Neφ≈l, де N – зарядове число частинки; l – заряд
електрона. При дуже низьких енергіях заряджених частинок W<0,1 еВ, зважаючи
на незначну величину цієї енергії взаємодія неефективна, і в той же час частинки з
високими енергіями W≥10 еВ як би „не помічають” неоднорідний
електростатичний потенціал поверхневої акустичної хвилі, тому взаємодія
ослаблена. Наприклад, для LiNbO3 електростатичний потенціал φ=100 мВ – 1В, а
енергія заряджених частинок в такому полі дорівнює 0,16 – 4,8 еВ. При низькому
тиску, коли вплив газового навантаження у відсутності розряду на характерис-
тики поверхневих акустичних хвиль невелике, і при ефективній взаємодії
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 19
заряджених частинок з поверхневими акустичними хвилями в процесі розряду
вимірювана різниця в параметрах вказаних хвиль суттєва, що дозволяє більш
точно судити про параметри досліджуваного газового середовища[7].
Вимірювання тиск досліджуваного газового середовища дуже впливає на
параметри розряду, зокрема рухливість і концентрація носіїв напруги при розряді
в інтервалі тисків 10-2 – 1мм рт. ст. змінюються приблизно на два порядки, що в
свою чергу впливає на акустоелектронну взаємодію в досліджуваній системі і, як
наслідок, проходить зміна характеристик поверхневих акустичних хвиль. В
даному випадку слід віддати перевагу створенню тліючого розряду, оскільки для
таунсендовського (темнового) розряду характерні дуже малі струми розряду і
слабке акустоелектронна взаємодія, а для дугового розряду – дуже великі струми
при високій кінетичній енергії заряджених частинок і високі температури, що
призводить до інтенсивного випаровування речовини, з якої виготовлені
електроди і підложка. Звідси випливає і найбільш прийнятний для вимірювань
діапазон досліджуваних даним способом параметрів газового середовища.
Тліючий розряд легко отримати і піддержувати для тисків порядку 10-4 – 10 мм рт.
ст., так як при дуже низькому тиску (≈10-4 мм рт. ст.) емісії електронів при
бомбардуванні катода позитивними іонами недостатньо для підтримки струму
розряду, а при тиску вище 10 мм рт. ст. тліючий розряд, як правило, переходить в
дуговий. Тому спосіб, що пропонується, найбільш прийнятний при тиску порядку
10-4 – 10 мм рт. ст[7].
Про параметри газового середовища можна судити і по різниці
характеристик поверхневих акустичних хвиль, виміряних при різних значеннях
струму розряду. Зміна струму розряду в досліджуваному газовому середовищі
при-зводить до зміни концентрації і кінетичної енергії заряджених частинок в
при-поверхневому шарі у звукопровода, тому для кожного значення струму
розряду характерне своя акустоелектронна взаємодія, і, відповідно, характеритики
поверхневих акустичних хвиль на вихідному перетворювачі в залежності від
величини струму розряду різні. Значення струму розряду вибирають виходячи із
типових значень струму при тліючому розряді 10-6 – 10-1 А. При струмах нижче
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 20
10-6 А процес створення заряджених частинок в газі нестійкий, розряд стає
несамостійним, а при струмах вище 10-1 А розряд переходить в дуговий, що
небажано[7].
Змінюючи напрям струму розряду і змінюючи при цьому характеристики
поверхневих акустичних хвиль, по їх різниці можна також судити про параметри
газового середовища. В цьому випадку змінюється напрям дрейфу зарядів в
іонізованому газі, причому можуть бути реалізовані випадки, тобто дрейф може
бути заданий або в напрямках, паралельних хвильовому вектору поверхневої
хвилі q, або перпендикулярних до q, або під деякими заданими кутами до q, що
кожний раз змінює умови акустоелектронної взаємодії у поверхні звукопроводу.
Наприклад, якщо у поверхні звукопроводу розміщений анод, то ефективна
акустоелектронна взаємодія пов'язана з підвищеною концентрацією електронів,
які анод притягує із позитивного стовпа при газовому розряді в процесі форму-
вання просторового заряду. Якщо у поверхні звукопроводу розміщений катод, то
лише у вторинних електронів, що вибиваються іонами високих енергій при
бомбардуванні катода, енергія співмірна з їх енергією в полі поверхневої
акустичної хвилі, і в даній області акустоелектронна взаємодія з ними менш
ефективна, ніж при зворотній полярності[7].
Пропонованим способом можна проводити контроль наступних параметрів
газового середовища: тиску, температури, молекулярної маси, а для одноатомних
газів – атомної маси. В якості вимірюваних характеристик поверхневих
акустичних хвиль використовують затухання, фазову і групову швидкості,
амплітудно-частотні характеристики.
Даний прилад складається із звукопроводу 1, перетворювача 2 і 3
поверхневих акустичних хвиль, високочастотного генератора 4, підсилювача 5,
індикаторного блоку 6, електродів 7 і 8 для створення розряду, джерела 9 розряду
і блоку 10 синхронізації. Генератор 4 підключений до вхідного перетворювача 2
поверхневих акустичних хвиль, вихідний перетворювач 3 поверхневих
акустичних хвиль з'єднаний через підсилювач 5 з індикаторним блоком 6.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 21
У поверхні звукопроводу 1 розміщені електроди 7 і 8, приєднані до
джерела 9 розряду. Блок 10 синхронізації підключений до джерела 9 розряду і
індикаторного блоку 6[7].
Прилад для контролю параметрів газового середовища працюють
наступним чином.
Високочастотні коливання з генератора 4 подають на перетворювач 2
поверхневих акустичних хвиль і збуджують на п'єзоелектричній підложці
звукопроводу 1, наприклад, із YZ-ніобата літія, що знаходиться в контакті з
досліджуваним газовим середовищем, поверхневі акустичні хвилі на частоті 10 –
50 МГц. З перетворювача 3 поверхневих акустичних хвиль вихідний сигнал
подається через підсилювач 5 на індикаторний блок 6. Потім в досліджуваному
газі створюють електричний розряд між електродом 7, виконаному у вигляді
металевої сітки, притиснутої до поверхні звукопроводу 1, і електродом 8,
виконаному у вигляді суцільної металевої пластини, розташованої на відстані 5 –
20 мм від електрода 7. На електроди 7 і 8 подають від джерела 9 імпульси напруги
тривалістю не менше τ=lv (l – довжина електродів у напрямку розповсюдження
поверхневих акустичних хвиль; v – швидкість розповсюдження поверхневих
акустичних хвиль на під ложці). При l=10 – 20 мм тривалість імпульсів напруги
повинна бути порядку 3 – 10 мкс. Одночасно з імпульсом розряду з
перетворювача 3 поверхневих акустичних хвиль знову поступає сигнал через
підсилювач 5 на індикаторний блок 6, де він зрівнюється з попереднім сигналом.
По різниці характеристик поверхневих акустичних хвиль, наприклад по різниці
коефіцієнта загасання, визначаються параметри досліджуваного газового
середовища, наприклад тиску. Блок 10 регулює подачу імпульсів напруги на
електроди і вмикання при цьому індикаторного блоку 6[7].
На рис. 1.7 показані: I – область практичного використання способу без
розряду в газі; II – область переважного використання способу, що
передбачається, з розрядом в газі; III – область максимальної похибки контролю.
Наприклад, без розряду в газі загасання α поверхневих акустичних хвиль ~ 10-6 і
10-5 дБ/мкс відповідає тиску повітря 0,1 і 1 мм рт. ст. Точність контролю тиску,
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 22
що визначається похибкою вимірювання загасання, складає не менше 30 – 50 %.
При збудженні електричного розряду біля підложки загасання поверхневих
акустичнх хвиль зростає до кількох одиниць і може бути виміряно з точністю 2 –
5%. Відповідно, точність контролю підвищується в 5 – 10 разів[7].

Рисунок 1.7 - Конструкція контролю параметрів газового середовища[7]
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 23
2. Обґрунтування технічного завдання

В роботі буде модернізована система автоматичного контролю
технологічних газів, а саме перетворювач. Перетворювач призначений для
неперервного перетворення надлишкового тиску повітряних і газових середовищ
в електричний уніфікуючий аналоговий вихідний сигнал постійного струму.
Перетворювач призначений для використання в системах автоматичного
контролю, керування і управління технологічними процесами в різноманітних
галузях народного господарства.
Перетворювач призначений для роботи з будь – якими робочими
середовищами, сумісними з матеріалами, з яких виготовлені приєднуючі деталі,
ущільнення перетворювачів, і не утворюючих вибухонебезпечних сумішей з
поліорганосілоксановими рідинами, наприклад:
- повітря (атмосферний, стиснений);
- азот, водень, суміш азоту і водню;
- газ (доменний, коксовий);
- природний газ;
- інші середовища з аналогічними фізико – хімічними показниками.
Перетворювач призначений для експлуатації в слідуючи умовах:
- температура навколишнього повітря від – 40 до + 60°С;
- відносна вологість навколишнього повітря 95 при 35°С і більш низьких
температурах, без конденсації вологи;
- синусоїдальна вібрація з частотою від 10 до 55 Гц і амплітудою зміщення
0,15 мм;
- постійне магнітне поле і змінне поле мережної частоти з напруженістю до
400 А/м.
Діапазон вимірювань, границі допустимої основної, приведеної похибки
перетворювача γ в процентах діапазону вимірювань або діапазону зміни
вихідного сигналу, гранично допустимі робочі надлишкові тиски перетворювача
різниці тиску відповідає ±0,4%
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 24
Діапазон зміни вихідного сигналу постійного струму (0-5), (0-20) або (4-
20) мА по ГОСТ 26,011-80. Інформацію несе середнє значення сигналу.
Навантажувальний опір для перетворювача з вихідним сигналом
постійного струму (0-20) і (4-20) мА не більше 1000 Ом, з сигналом (0-5) мА –
2500 Ом.
Перетворювач відповідає вимогам при дотриманні умов:
- робоче положення перетворювача – будь – яке;
- температура навколишнього повітря (23±2)°С при відносній вологості
не більше 80%;
- вібрація і струси відсутні;
- тиск стиснутого повітря підвищується і понижується поступово;
- витримка перетворювача перед початком дослідів після включення
живлення не менше 30 хв.
Живлення перетворювача МТМ701.ЗП здійснюється від зовнішнього
джерела живлення постійного струму, забезпечуючого в навантажувальному
опорі вихідний сигнал постійного струму не менше 20 мА при напрузі живлення
від 16 до 32 В.
Власна електрична ємність і індуктивність перетворювача не перевищує
відповідно: С=0,05 мкФ, L=0.05 мГн.
Споживна потужність не більше 1 Вт.
Габаритні розміри не більше 200*220*250 мм.
Маса перетворювача не більше 8,0 кг.
Середня довговічність на відмову перетворювача з врахуванням
технічного обслуговування не менше 80000 ч.
Повний середній термін роботи перетворювача не менше 12 років.

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 25
3 Розробка структурної та принципової схеми системи

3.1 Принцип дії системи
Зовнішній вигляд реєстратора приведений на кресленні
РС-83ск.022.406.001ВО.
Конструктивно реєстратори складаються з одного блоку, призначеного для
щитового монтажу.
Реєстратори виконані в корпусах з листового металу, у яких розміщені
елементи електронної схеми, розташовані на платі.
На передній панелі корпуса розташовані графічний ЖКІ - індикатор,
елементи світлової сигналізації, кнопки керування. На задній панелі розташовані
роз’єми для підключення вхідних ланцюгів, ланцюгів сигналізації і живлення.
Роз’єми вхідних ланцюгів постачені написом: "ЕxіallС"; Lдоп = 5 mН;
Сдоп = 0,1 µF, Uxx ≤ 22 В, Ікз ≤ 45 мА.
Принцип дії реєстраторів заснований на перетворенні сигналів постійного
струму у візуальну індикацію, що зчитується з дисплея.
Структурна схема реєстратора представлена на кресленні СКРС-
83ск.022.406.001Э1. Схема електрична принципова приведена на кресленні СКРС-
83ск.022.406.001Э3.
Схема працює в такий спосіб.
На контакти 1, 2 X1 - Х6 подається вхідний сигнал постійного струму.
Діапазон вимірів вхідного сигналу 0 - 5, 0 - 20 чи 4 - 20 мA, а також можливість
роботи з двопровідними перетворювачами визначається конфігурацією перемичок
на колодках М1 - М2.
Вхідний сигнал постійного струму перетвориться в напругу 0,2 - 1 В и
через пристрій гальванічного поділу подається на вхід ЦП MK AT90,
перетворений у цифровий код вхідному сигнал передається для обробки в MK
АТ89.
Технологічний параметр, заданим сигналом постійного струму, виводиться
на ЖКІ - індикатор (дозволяюча здатність - 240 x 128 крапок) у виді графіка (крок
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 26
реєстрації - 1 хв.), з одночасним записом в енергонезалежну пам'ять, для
наступного перегляду архіву за 45 доби.
Для визначення часу реєстрації служать годинник реального часу, що
"йдуть" незалежно від того включений реєстратор чи ні, за рахунок убудованої
літієвої батарейки.
Реєстратор також має вихід на стандартний інтерфейс RS 485 (з
відповідним програмним забезпеченням).
У випадку виходу технологічного параметра за границі, установлення
користувачем, спрацьовує реле з відповідної світлодіодною сигналізацією,
Живлення схеми здійснюється від мережі перемінного струму напругою
220 В.
Випрямлена після імпульсного перетворювача напруга рівня 24 В
подається на вторинним перетворювач, що формує ряд напруг для живлення
схеми 5 VA, 5 V, 24 V. На платі живлення іскробезпечних ланцюгів обновлені
бар'єри іскробезпеки для живлення двопровідних перетворювачів.
На одній планці задньої панелі реєстратора нанесені:
- діапазон зміни вхідного сигналу;
- клас точності;
- товарний знак підприємства-виготовлювача;
- умовна позначка реєстратора;
- порядковий номер реєстратора по системі нумерації підприємства-
виготовлювача;
- знак твердження типу;
- номер технічних умов;
- рік випуску;
- напис "Україна";
- ступінь захисту за ДСТ 14254-96 (МЭК 2190-89).

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 27
3.2 Принцип дії детектора
Дія вимірювальних тензоперетворювачів ґрунтується на зміні
електричного опору пружного тіла при його деформації. Тензоперетворювачі,
зроблені з металевої проволоки або фольги, широко застосовуються в науково-
технічній практиці. Вони використовуються в якості передавальних
перетворювачів у вимірювальних приладах для вимірювання змінного в часі
тиску, перетвореного попередньо в деформацію. Металеві тензорезистори широко
застосовуються також і як первинні перетворювачі для вимірювання деформацій в
деталях механізмів і машин при їх досліджені.
Поряд з металевими тензоперетворювачами застосовують також і
напівпровідникові тензорезисторні перетворювачі. Для створення промислових
швидкодіючих приладів тиску, обладнаних передавальними перетворювачами, що
мають малі розміри і масу, найбільш перспективними є напівпровідникові
тензоперетворювачі. Вони мають більш високу тензочутливість порівняно з
металевими тензорезисторами і дозволяють з допомогою підсилювача отримати
уніфікований вихідний сигнал постійного струму 0 – 5 мА[9].
По будові металеві тензоперетворювачі поділяють на наклеювані і не
наклеювані.
Наклеювані тензорезисторні перетворювачі, що отримали широке
застосування, виконуються із укладеного зигзагоподібно і приклеєного
спеціальним клеєм на смужку тонкого міцного паперу (або пластмаси) дроту
діаметром 0,01 – 0,05 мм. До кінців дроту тензорезистора припаяні або приварені
вивідні провідники діаметром 0,5 і довжиною 40 мм, що служать для включення
тензоперетворювача у вимірювальний ланцюг.
В якості матеріалу для дроту використовуються, як правило, сплави міді і
нікелю, нікелю і хрому, нікелю і заліза та ін. основними вимогами до
тензочутливих матеріалів є стабільність градуйованих характеристик, малий
температурний коефіцієнт електричного опору, по можливості велика
тензочутливість і т. п. Фольгові тензоперетворювачі роблять із металевої
(константанової, хромонікелевої і ін.) фольги товщиною 0,001 – 0,01 мм
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 28
витравлюванням відповідних частин, внаслідок чого виходить решітка потрібної
форми. Такий спосіб дає можливість виготовляти тензорезистори різних форм.
Напівпровідникові тензоперетворювачі виготовляють з тензорезисторами
із напівпровідників круглого або плоского перерізу.
Для вимірювання відносного подовження в багатьох напрямках
застосовують тензоперетворювачі, що мають три або чотири дротяних
тензорезистори, відповідним чином орієнтовані і наклеєні на одну загальну
підложку. Тензорезистори можуть бути наклеєні поруч один з одним або один на
одного.
Металевий тензорезисторний передавальний перетворювач механічно
з'єднують, наприклад, з манометричною пружиною або плоскою мембраною, яка
деформується під дією вимірюваного тиску. При деформації змінюються розміри
і удільний електричний опір дроту тензоперетворювача. Розмір деформації
визначають зміни електричного опору тензорезистора, вимірюваного звичайно з
допомогою мостової вимірювальної схеми.
Активний опір R дротяного провідника[9]:
R 
= ρ (3.1)
F
де ρ – удільний електричний опір дроту, Ом*м; l – довжина дроту, м; F –
площа поперечного перетину дроту, м2.
При деформації (зміна осьової напруги) дроту змінюється її довжина,
перетин, удільний електричний опір і результуюча відносна зміна його активного
опору рівна[9]:
∆R ∆ ∆ρ ∆F
= + − (3.2)
R  ρ F
Виражаючи в цьому рівнянні відносну зміну площі поперечного перетину
дроту через поздовжню зміну з допомогою коефіцієнта Пуассона μ: ∆F ∆
= −2µ
F 
отримуємо[9]:
∆R ∆ ∆ρ ∆
= + + 2µ (3.3)
R  ρ 
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 29
Поділивши рівняння на ∆l/l, отримаємо рівняння, що визначає коефіцієнт
деформації (тензочутливість) прямого дроту[9]:
S ∆ρ
= 1+ 2µ + (3.4)
∆ρ
Для металів, із яких виготовляють дротяні тензоперетворювачі, коефіцієнт
Пуассона в області пружних деформацій знаходиться в межах від 0,25 до 0,5.
Дротяний тензоперетворювач звичайно наклеюють на досліджувану деталь
або пружний чутливий елемент манометра таким чином, щоб його вісь співпадала
з напрямком найбільшої напруги. При одноосьовій напрузі, крім деформації в
напрямку напруги, виникає поперечна деформація. Внаслідок деформації частин,
які не знаходяться в напрямку руху, по зміні удільного електричного опору і
відомій тензочутливості s дроту точно визначити значення відносного
видовження не можна. Не можна також тензочутливість тензоперетворювача
прирівняти до тензочутливості s прямого дроту. Впливаючим фактором є також і
нерівномірність розподілу напруги при зсуві, за допомогою якого передається
деформація деталі або пружного чутливого елемента на дріт тензоперетворювача.
Вплив поперечної деформації на тензочутливість перетворювача sn
зменшується із зменшенням ширини h тензоперетворювача і з збільшенням
перерізу поперечних провідників між поздовжніми дротами[9].
Значення тензочутливості sn дротяного тензоперетворювача при однаковій
кількості витків залежить від розміру його бази L (якщо L < 15 мм). При L ≥ 15
мм тензочутливість sn практично не змінюється із збільшенням бази.
Тензочутливість sn тензоперетворювачів звичайно визначають при даному
значенні струму шляхом їх індивідуального градуювання. В більшості випадків
значення опору тензоперетворювача лежить в межах 80 – 600 Ом при 20°С. зміна
опору тензоперетворювача в залежності від подовження звичайно визначається з
похибкою 1 – 2 %.
Відносна зміна опору металевих тензоперетворювачів не перевищує 1%
навіть при найбільших розмірах подовження дроту, і для зменшення
температурної похибки необхідно, щоб матеріал дроту (фольги)
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 30
тензоперетворювача мав можливо менший температурний коефіцієнт
електричного опору. При мінімальному значенні температурного коефіцієнта опір
матеріалу дроту і здійснення додаткових засобів температурну похибку можна
звести практично до нуля.

3.3 Розробка принципової схеми
Блок обробки сигналів
БОС є мікропроцесорним пристроєм на базі мікроконтролера. Схема
з'єднанні БОС приведена . Вона містить плату контролю A1, плату що погодить
А2, трансформатор Т, рознімання зовнішніх підключень X1, Х5, Х6.
Конструктивно БОС виконаний у прямокутному пластмасовому корпусі
(ступінь захисту ІP 41 за ДСТ 14254-96) пристосованому для кріплення на стінку.
У верхній частині лицьової панелі розташований цифровий індикатор, у
нижній частині корпуса - клавіатура з написами, що пояснюють призначення
кожної з клавіш. На нижній частині корпуса встановлені рознімання і тумблер
включення мережі.
Усередині корпуса розташована: плата контролю, плата що погодить і
силовий трансформатор. Плата контролю закріплена зсередини на кришці, плата
що погодить і силовий трансформатор на металевому шасі, що кріпиться на
днище корпуса.

Узгоджувальна плата
На узгоджувальній платі розміщені:
- аналого-цифровий перетворювач на мікросхемах DA1, DA7, DA9, DA10,
резисторах R5, R6, R7, R8, R11, R14, конденсаторах С2, СЗ, С5, С6, С7, С8, С27,
С28, С29, С30.
- L3, С4, R9, VD7 і L4, С9, R10, VD8 - параметричні стабілізатори для
живлення мікросхем DA1 і DA9,
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 31
- перетворювач сигналу ШІМ з мікроконтролера у вихідний токовий
сигнал на елементах:
DD1.4, R35, VDl0 - гальванічної розв'язки;
VT6, VD9, R20, R28 - нормування сигналу ШІМ по амплітуді;
R15, R16, R19, R21 - дільник напруги ШІМ;
R13, С26 - інтегруюча ланка;
VT1, DA8, R12 - перетворювач "напруга - струм".
- транзисторні ключі VT4, VT5 з елементами DD1.2, DD1.3, R22, R23, R26,
R27, С31, С32 для включення реле сигналізації. Діоди VD15, VDІ6 для захисту
транзисторів. Приймально-передавач інтерфейсу RS-485 на мікросхемі DD3,
елементах гальванічної розв'язки D12, D13, резисторах R36, R37, R38, R39, R40,
R41, R42, конденсаторі С37 і транзисторі VT7.
- стабілізовані джерела живлення: VD1, DA2, С10, C15, C21 12 В для
живлення тензометричного датчика;
- VD2, DA3, C11, С16, С2 5В для живлення мікроконтролера і мікросхеми
DD1 на узгоджувальній платі;
- VD3, DA4, DA5, С12, C13, С17, Cl8, C23, С24 +15 В и - 15 В для
живлення підсилювача DA7 і мікросхем DA1, DA9, DA10,
- VD4, DA6, VD6, С14, С19, С20, С25 + 15 В и - 15 В для живлення
перетворювача сигналу ШІМ;
- VD19, DA11, C34, С35, С36 5 В для живлення мікросхем DD3, D12, D13.

Плата контролю
На платі контролю розміщені:
- мікроконтролер D3 з елементами D1, D11, С8, С9, С14, С18, ZQl;
- світлодіодний індикатор Н6...Н9 з елементами керування індикацією D5,
D8, VТ1...VT8, R18...R25, R26...R41;
- клавіатура S1...S6 з мікросхемою опитування D9, діодами VD1... VD6,
резистором R9.

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 32
Силовий трансформатор Т
Трансформатор виконаний на кільцевому сердечнику і кріпиться до
прямокутної пластини, на якій установлений запобіжник. Пластина за допомогою
4-х стійок кріпиться на шасі. До узгоджувальної плати трансформатор
підключається плоским 20-ти жильним кабелем і роз’ємом Х2.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 33
4 Розрахунок блоку перетворювача

4.1 Призначення блоку і технічні вимоги
Даний блок відноситься до класу наземної апаратури і призначений для
перетворення отриманої інформації з густиноміра в електричний сигнал. Умови
експлуатації: температура середовища t0 = 30 оC; тиск p = 1,33 • 104 Па. Вимоги по
надійності: імовірність безвідмовної роботи P(0,033) ≥ 0,8.
Конструкційні вимоги: елементна база - мікросхеми серії LM358D із
КМДП логікою; потужність у блоці P ≤ 27 Вт; маса блоку m ≤ 50 кг; тип корпуса -
корпус за ГОСТ 17045-71; умови охолодження - природна конвекція.

4.2 Вибір елементної бази
Оскільки проектований блок є бортовою апаратурою, то до нього
пред'являються наступні вимоги: висока надійність; висока
перешкодозахищеність; мала споживана потужність;
Найбільше повно цим вимогам задовольняють інтегральні мікросхеми на
що доповнюють МДП (МОП) структурах - КМДП структури.
Цифрові інтегральні схеми (ЦІС) на КМДП - транзисторах - найбільш
перспективні. Потужність споживання в статичному режимі ЦІС складає десятки
нВт, швидкодія - більш 10 МГц. Серед ЦІС на МДП - транзисторах ЦИС на
КМДП - транзисторах володіють найбільшої завадостійкістю: 40 ÷ 45 % від
напруги джерела харчування. Відмінна риса ЦІС на КМДП - транзисторах - також
висока ефективність використання джерела харчування: перепад вихідної напруги
елемента майже дорівнює напрузі джерела харчування. Такі ЦІС не чуттєві до
змін напруги харчування. В елементах на КМДП - транзисторах полярності і рівні
вхідних і вихідних напруг збігаються, що дозволяє використовувати безпосередні
зв'язки між елементами. Крім того, у статичному режимі їхня споживана
потужність практично дорівнює нулю[9-14].
У такий спосіб була обрана серія мікросхем 483 (тип логіки: доповнюючи
МОП - структури). Конкретно були обрані дві мікросхеми/
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 34
Параметр LM358D L78L05ACD
Вхідний струм у стані “0”, I 0
вх , мкА, не менш - 0,1 - 0,1
Вхідний струм у стані “1”, I 1
вх , мкА, не більш 0,1 0,1
Вихідна напруга “0”, U 0
вых , В, не більш 0,3 0,3
Вихідна напруга “1”, U 1
вых , В, не менш 8,2 8,2
Струм споживання в стані “0”, I 0
пот , мкА, не більш 0,3 0,3
Струм споживання в стані “1”, I 1
пот , мкА, не більш 0,3 0,3
Час затримки поширення сигналу при включенні tзд 200 200
1,0
р , нс, не більш
Час затримки поширення сигналу при включенні tзд 200 200
0,1
р , нс, не більш
Таблиця4.1 - Гранично припустимі електричні режими експлуатації
Напруга джерела живлення , В 5 - 10
Навантажувальна здатність на логічну мікросхему, не більш 50
Вихідний струм I 0 1
вых и Iвых , мА, не більш 0,5
Завадостійкість, В 0,9

4.3 Розрахунок блоку на вплив тепла
Робимо теплофізичні конструкторські розрахунки з застосуванням
вбудованого в WORD математичного пакета прикладних програм MATHCAD 7.0
PRO.
Вихідні дані:
Розміри блоку : L1=250 мм, L2=180 мм, L3=90 мм
Розміри нагрітої зони : a1=234 мм, a2=170 мм, a3=80 мм
Зазори між нагрітою зоною і hн=hв=5 мм
корпусом
Площа перфораційних отворів Sп=0 мм2
Потужність однієї ІС Pис=0,001 Вт
Температура навколишнього tо=30 оC
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 35
середовища
Тип корпуса Дюраль
Тиск повітря p = 1.33 ⋅ 104 Па
Матеріал ДП Склотекстоліт
Товщина ДП hпп = 2 мм
Розміри ІС с1 = 19.5 мм с2 = 6 мм c3 = 4 мм

Етап 1. Визначення температури корпуса
Розраховуємо питому поверхневу потужність корпуса блоку qк:
P n.
0 m.N.P . .
ис 5 5 30.0.001 0.75 Вт
S 2. L .L L .L L .L 2.( 0.25.
к 1 2 2 3 1 3 0.18 0.18.0.09 0.25.0.09) 0.167 м2
P
q 0 0.75
к 4.491 Вт
Sк 0.167 м2

де P0 - потужність розсіюється блоком у виді теплоти, Вт;
Sк - площа зовнішньої поверхні блоку, мм2.
Для здійснення реального розрахунку приймемо P0 = 20 Вт, тоді:
S 2. L .L L .L L .L 2.( 0.25.0.18 0.18.
к 1 2 2 3 1 3 0.09 0.25.0.09) 0.167 м2
P
q 0 20 119.76 Вт
к Sк 0.167 м2

За графіком з [1] задаємося перегрівом корпуса в першому наближенні
∆tк= 10 оС.
Визначаємо коефіцієнт випромінювання для верхньої αл.в,, бічний αл.б і
нижньої αл.н поверхонь корпуса:
ε .
i 5.67 t0 ∆ tk 273 4 t 273 4
α . 0
л , i ∆ tk 100 100
Тому що ε для всіх поверхонь однакова і дорівнює ε =0.39 те:
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 36
α 0.39.5.67. 30 10 273 4 30 273 4 Вт
л , i 2.585
10 100 100 м2.К
Для визначальної температури tm = t0 + 0.5 ∆tk = 30 + 0.5 10 = 35 oC
розраховуємо число Грасгофа Gr для кожної поверхні корпуса
L 3
Gr 1 .g. опрi .
mi ∆ t
tm 273 2 k
γm (4.1)
де Lопр i - визначальний розмір і-ої поверхні корпуса;
g - прискорення вільного падіння;
γm - кінетична в'язкість газу, для повітря визначається з таблиці 4.10 [1] і
дорівнює γ -6 2
m=16.48 ⋅ 10 м /с
3
Grmв Gr 1 .
mн 9.8. ( 0.25) .10 1.831.107
35 273 2
16.48.10 6
Gr 1 .9.8. ( 0.18)3
.
mб 10 6.832.106
35 273 6 2
16.48.10 (4.2)
Визначаємо число Прандталя Pr з таблиці 4.10 [1] для визначальної
температури tm, Pr = 0.7.
Знаходимо режим руху газу, що обтікають кожну поверхню корпуса:
5 ⋅ 106 < Grн Pr = Grв Pr = 1.831 ⋅0.7 ⋅ 107 = 1.282 ⋅ 107 < 2 ⋅ 107 отже режим
ламінарний
Grб Pr = 6.832 ⋅0.7 ⋅ 106 = 4.782 ⋅ 106 < 5 ⋅ 106 отже режим перехідний до
ламінарного.
Розраховуємо коефіцієнт теплообміну конвекцією для кожної поверхні
блоку αk.i:
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 37
1 1
λ
α 1.18. m . Pr.Gr 8.N 1.18. 0.0272. 4.782.106 8.1 1.219 Вт
к ,б L m i 2
опр , i 0.18 м .К
1 1
λ
α . m . . 4. . 0.0272. . 7 4. Вт
к ,в 0.54 Pr Gr
L m Ni 0.54 1.831 10 1.3 4.996
2
опр , i 0.25 м .К
1 1
λ
α . m . . 4. . 0.0272. 4
к ,н 0.54 Pr Grm Ni 0.54 1.831.107 .0.7 2.69 Вт
L 2
опр , i 0.25 м .К
де λm - теплопровідність газу, для повітря λm визначаємо з таблиці 4.10 [1]
λm = 0.0272 Вт/(м К);
Nі - коефіцієнт враховуючий орієнтацію поверхні корпуса: Nі = 0.7 для
нижньої поверхні, Nі = 1 для бічної поверхні, Nі = 1.3 для верхньої поверхні.
Визначаємо теплову провідність між поверхнею корпуса і навколишнім
середовищем до:
σ .
к αк ,н αл ,н Sн αк ,н α .
л ,н Sб αк ,н α .
л ,н Sв
Sн Sв L .
1 L2 0.25.0.18 0.045 м2
S 2.L . . . 2
б 3 L1 L2 2 0.09 ( 0.25 0.18) 0.077 м
σк ( ( 2.585 2.69).0.045 ( 2.585 1.219).0.077) ( 2.585 4.996).0.077 1.114 Вт
К
Розраховуємо перегрів корпуса блоку РЕА в другому наближенні ∆tк.о:
P
∆ t 0.K .K 20 .1.
к ,о к ,п н1 1 17.953 oC
σк 1.114 (4.3)
де Кк.п - коефіцієнт залежний від коефіцієнта корпуса блоку. Тому що блок
є герметичним, отже Кк.п = 1;
Кн1 - коефіцієнт, що враховує атмосферний тиск навколишнього
середовища береться з графіка мал. 4.12 [1], Кн1 = 1.
Визначаємо похибку розрахунку
∆ t ∆ t
δ к ,о к 17.953 12 0.332
∆ tк ,о 17.953 (4.4)
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 38
Тому що δ=0.332 > [δ]=0.1 проводимо повторний розрахунок
скорегувавши ∆tк= 15 оС.
Після повторного розрахунку одержуємо ∆t о
к,о= 15,8 С,, і отже похибка
розрахунку буде дорівнює
∆ tк ,о ∆ t
δ к 15.8 15 0.053
∆ tк ,о 15 (4.5)
Така похибка нас цілком улаштовує δ=0.053 < [δ]=0.1
Розраховуємо температуру корпуса блоку
o
tк t0 ∆ tк ,о 30 15 45 C (4.6)

Етап 2. Визначення середньо поверхневу температуру нагрітої зони
Обчислюємо умовну питому поверхневу потужність нагрітої зони блоку
qз[9-14]:
P
q з
з 1.82. a .
1 a2 a .
1 a3 a .
2 a3
q 20 Вт
з 1.82. ( 0.234.0.17 0.234. . 152.413
0.08 0.17 0.08) м2

де Pз - потужність розсіюється в нагрітій зоні, Pз = 20 Вт.
За графіком з [1] знаходимо в першому наближенні перегрівши нагрітої
зони ∆t = 18 оз С.
Визначаємо коефіцієнт теплообміну випромінюванням між нижніми αз.л.н,,
верхніми αз.л.в і бічними αз.л.б поверхнями нагрітої зони і корпуса.
Для початку визначимо приведений ступінь чорності і-ої поверхні нагрітої
зони εпi:
1 1 S 1 1
ε ε 1 . з ,вн 1 1 1 . 0.234.0.17
п ,в п ,н 0.405
εз ,вн εк ,вн Sк ,вн 0.92 0.39 0.25.0.18
1
ε 1 1 S
. з ,б 1 1 . 0.08.
1 1 0.17 1
п ,б 0.417
εз ,б εк ,б Sк ,б 0.92 0.39 0.18.0.09
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 39
де εзi і Sзi - ступінь чорності і площа поверхні нагрітої зони, εпi = 0.92 (для
всіх поверхонь тому що матеріал ДП однаковий).
Тому що приведений ступінь чорності для різних поверхонь майже
однакова, то ми можемо прийняти її рівної εпi = 0.405 і тоді
ε . 4 4
α i 5.67 t0 ∆ t
. з 273 t0 273
з ,л , i ∆ t3 ∆ tк ,о 100 100
. 4 4
α 0.405 5.67. 30 17 273 30 273 Вт
з ,л , i 39.361
17 15.8 100 100 м2.К
Для визначальної температури tm = 0.5 (tк + t0 + ∆tk) = 0.5 (45 + 30 + 17 =46
oC і визначального розмірі hі розраховуємо число Грасгофа Gr для кожної
поверхні корпуса
1 h 3
Gr .g. опрi .
mi ∆ t
t 273 2 з
m γm (4.7)
де Lопр i - визначальний розмір і-ої поверхні корпуса;
g - прискорення вільного падіння;
γm - кінетична в'язкість газу, для повітря визначається з таблиці 4.10 [1] і
дорівнює γm=17.48 ⋅ 10-6 м2/с
Gr Gr 1 .9.8. ( 0.005)3
.
mв mн 17 213.654
46 273 2
17.48.10 6
Gr 1 .9.8. ( 0.008)3
.
mб 17 875.128
46 273
17.48. 2
10 6

Визначаємо число Прандталя Pr з таблиці 4.10 [1] для визначальної
температури tm, Pr = 0.698.
Grн Pr = Grв Pr = 213.654 ⋅ 0.698 = 149.13
Grб Pr = 875.128 ⋅ 0.698 = 610.839
Розрахуємо коефіцієнт коефіцієнти конвективного теплообміну між
нагрітою зоною і корпусом для кожної поверхні:
для нижньої і верхній
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 40
λ
α m 0.0281 5.62 Вт
з ,к ,нв
hнв 0.005 м2.К (4.8)
для бічної поверхні
λ
α m 0.0281
з ,к ,б 3.512 Вт
2
hб 0.008 м .К (4.9)
де λm - теплопровідність газу, для повітря m визначаємо з таблиці 4.10 [1]
λm = 0.0281 Вт/(м К);
Визначаємо теплову провідність між нагрітою зоною і корпусом:
σз ,к K .
σ αз ,л , i α .
з ,к , i Sз , i
( i н , в , б) (4.10)
де σ - питома теплова провідність від модулів до корпуса блоку, при
відсутності притиску σ = 240 Вт/(м2 К);
Sλ - площа контакту рамки модуля з корпусом блоку;
Кσ - коефіцієнт враховуючий кондуктивний теплообмін
S ( 0.002.0.08 0.002.0.17).2.
λ 25 0.025 м2
1 1 0.167< 4
σ.S 240.
λ 0.025
Kσ 1.63 0.157
. 1.63 0.157.0.167 1.604
σ Sλ
У результаті одержуємо:
σ . . .
з ,к 1.604 ( ( 39.361 5.62) 0.17 0.234.2 ( 39.361 3.512).0.17.0.08) 6.675 Вт
К

Розраховуємо нагрівання нагрітої зони ∆tз.о у другому наближенні
P .
з К .
кп К .
∆ t ∆ t w Кн2 . . .
з ,о к ,о 15.8 20 1 1 1.3 19.695 oC
σз ,к 6.675
де Кw - коефіцієнт, що враховує внутрішнє перемішування повітря,
залежить від продуктивності вентилятора, Кw = 1;
Кн2 - коефіцієнт, що враховує тиск повітря усередині блоку, Кн2 = 1.3.
Визначаємо похибку розрахунку
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 41
∆ t
δ з ,о ∆ tз 19.695 18 0.086
∆ tз ,о 19.695 (4.11)
Така похибка нас цілком улаштовує δ=0.053 < [δ]=0.1.
Розраховуємо температуру нагрітої зони
o
tз t0 ∆ tз ,о 30 19.695 49.695 C (4.12)

Етап 3. Розрахунок температури поверхні елемента
Визначаємо еквівалентний коефіцієнт теплопровідності модуля, у якому
розташована мікросхема. Для нашого випадку, коли відсутні теплопровідні шини
λэкв = λп = 0.3 Вт/(м К), де λп - теплопровідність матеріалу підстави друкованої
плати[9-14].
Визначаємо еквівалентний радіус корпуса мікросхем[9-14]:
S c .
R 0ис 1 c2 0.0195.0.006 0.006 м
π π π (4.13)
де S 2
0ИС - площа підстави мікросхеми, S0ИС = 0.0195 ⋅ 0.006 = 0.000117 м
Розраховуємо коефіцієнт поширення теплового потоку
α1 α
m 2 17
. . 168.325
hпп λэкв 0.002 0.3 (4.14)
де α1 і α2 - коефіцієнти обміну з 1-й і 2-й стороною ПП; для природного
теплообміну α1 + α 2
2 = 18 Вт/(м К);
hпп - товщина ПП.
Визначаємо шуканий перегрів поверхні корпуса мікросхеми для ІМС, яка
знаходиться в середині ПП і тому працюючої в найгіршому тепловому режимі:
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 42
Q
∆ t ∆ t k. ис
ис в ...
k .
α Sис S 1
0 ,ис δз 1
λ .π.R2 K( mR)
з B M.π.R.λ .h .m. 1
экв п K( mR)0
K mr
Q . i 0
N исi K mRi
+ 0
δ K mR
i = 1 k . S S . i
αi исi 0 ,исi 1 зi 1 . B M.π.R .λ .δ .m. 1
λ .π. R 2 k .
αi S S i i экв п
зi i исi 0 ,исi K mRi 0
де В и М - умовні величини, уведені для спрощення форми запису, при
однобічному розташуванні корпусів мікросхем на ПП В = 8.5 π R2 Вт/К, М = 2;
к - емпіричний коефіцієнт: для корпусів мікросхем, центр яких відстоїть
від кінців ПП на відстані менш 3R, к = 1.14; для корпусів мікросхем, центр яких
відстоїть від кінців ПП на відстані більш 3R, к = 1;
кα - коефіцієнт тепловіддачі від корпусів мікросхем визначається по
графіка (мал. 4.17) [1] і для нашого випадку кα = 12 Вт/(м2 К);
Nі - число і-х корпусів мікросхем, розташований навколо корпуса
мікросхеми, що розраховується, на відстані не більш ri < 10/m = 0.06 м, для нашої
ПП Nі = 24;
К1 і К0 - модифіковані функції Бесселя, результат розрахунку яких
представлений нижче:
m.r1 168.325.0.061 10.268 m.r11 168.325.0.0275 4.629
m.r .
2 168.325 0.0365 6.144 m.r12 168.325.0.055 9.258
m.r3 168.325.0.024 4.04 m. r15 168.325.0.0563 9.477
m.r4 168.325.0.0365 6.144 m.r16 168.325.0.03 5.05
m. r5 168.325.0.061 10.268 m.r17 168.325.0.012 2.02
m. r6 168.325.0.0563 9.477 m.r18 168.325.0.03 5.05
m. r .
7 168.325 0.03 5.05 m. r19 168.325.0.0563 9.477
m.r8 168.325.0.012 2.02 m. r 168.325.
20 0.061 10.268
m.r 168.325.
9 0.03 5.05 m. r21 168.325.0.0365 6.144
m.r10 168.325.0.0563 9.477 m.r24 168.325.0.024 4.04
m. r 168.325.
11 0.055 9.258 m.r .
23 168.325 0.0365 6.144
m.
r12 168.325.0.0275 4.629 m.r 168.325.
24 0.061 10.268
∆tв – середньо об’ємний перегрів повітря в блоці:
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 43
∆ t
∆ t к ,о ∆ tз ,о 15.8 19.695 17.748 K
в 2 2 (4.15)

QИСi - потужність, що розсіюється і-й мікросхемою, у нашому випадку для
всіх однакова і дорівнює 0.001 Вт;
SИСi - - сумарна площа поверхонь і-й мікросхеми, у нашому випадку для
всіх однакова і дорівнює SИСi = 2 (с1 ⋅ с2 + с1 ⋅ с3 + с2 ⋅ с3) = 2 (19.5 ⋅ 6 + 19.5 ⋅ 4 + 6 ⋅
4) = 438 мм2 = 0.000438 м2;
δзi - зазор між мікросхемою і ПП, δзi = 0;
λзi - коефіцієнт теплопровідності матеріалу, що заповнює цей зазор.
Підставляючи чисельні значення у формулу одержуємо:

∆ tис 17.748 0.001 ... 36.66 oC
12. 438.10 6 1.17.10 4 1
1
8.5.π.0.0062 2.π.0.006.0.3.0.002.168.325
0.001. ( 4.10.268 4.6.144 2.4.04 4.9.477 4.5.05 2.2.02 2.9.258 2.4.629)
+ 0.006.168.325
. . 2
. . . .
12 438.10 6 1.17.10 4 . 1 8.5 π 0.006 2 π 0.006 0.3.0.002.168.325
12. 438.10 6 1.17.10 4

Визначаємо температуру поверхні корпуса мікросхеми
t
o
ис t0 ∆ tис 30 36.66 66.66 C (4.16)
Така температура задовольняє умовам експлуатації мікросхеми ∆Тр = -
45....+70 оС, і не вимагає додаткової системи охолодження.

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 44
4.4 Розрахунок маси блоку
Вихідні дані для розрахунку:
Маса блоку ИС mис = 24 г = 0.024 кг
Щільність дюралюмінію ρдр = 2800 кг/м3
Щільність склотекстоліту ρСт = 1750 кг/м3
Товщина дюралюмінію hk = 1 мм = 0.001 м
Товщина друкованої плати hпп = 2 мм = 0.002 м
Кількість друкованих плат nпп = 60
Кількість ИС nис = 25
m 2.h . . .
к к ρдр L1 L2 L . . . .
1 2 L3 L2 2 L3 =
= 2.0.001.2800. ( 0.25.0.18 0.25.2.0.09 0.18.2.0.09) 0.685 кг
m 2.h . . . .
пп пп a2 a3 ρСт 2 0.002.0.17.0.08.1750 0.095 кг
M m .
б пп nпп m .
ис nис mк 0.095.60 0.024.25.60 0.685 42.385 кг

4.5 Розрахунок надійності
Надійність є однієї зі складових якості виробу. Вона характеризує
властивість виробу виконувати задані функції, зберігаючи в часі значення
встановлених експлуатаційних показників у необхідних межах, що відповідають
заданим режимам і умовам використання, технічного обслуговування, ремонтів,
збереження і транспортування. Як комплексна властивість, надійність, у
залежності від призначення об'єкта й умов його експлуатації може включати
наступні складові: безвідмовність, довговічність, сохраняемость і
ремонтоздатність[12-14].
Кількісною характеристикою одного чи декількох властивостей надійності
є показники безвідмовності, довговічності, ремонтоздатності, сохраняемости і
комплексні показники.
Показники безвідмовності - імовірність безвідмовної роботи P(t),
інтенсивність відмовлень λ(t), середній наробіток до відмовлення, γ - відсотковий
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 45
наробіток до відмовлення, середній наробіток до відмовлення, параметр потоку
відмовлень[12-14]..
Імовірність безвідмовної роботи P(t) - імовірність того, що в межах
заданого наробітку t0 відмовлення не виникає чи, його параметри не будуть
виходити за межі заданих допусків протягом необхідного інтервалу часу в умовах
експлуатації[12-14]:
P(t0) = 1 - F(t0) (4.17)
де F(t0) - функція розподілу наробітку до відмовлення.
Оцінка показника P(t0) характеризує частку працездатних виробів у
момент часу t0[12-14]:
P(t0) = 1 – Ni / N (4.18)
де t0 - час іспиту;
m - число інтервалів часу t, через які контролювалася працездатність, m =
t0/t;
Nі - число виробів, що відмовили на і-ом інтервалі часу;
N - загальне число випробуваних виробів.
Інтенсивність відмовлень λ(t) визначають як умовну щільність імовірності
виникнення відмовлення невостановленного об'єкта для розглянутого моменту
часу за умови, що до цього часу відмовлення не виникло[12-14]:
λ(t) = f(t) / P(t) (4.19)
Приблизно λ(t) = N* / N • ∆t.
де N* - число виробів, що відмовили при іспитах протягом інтервалу часу
∆t;
N - число виробів, працездатних до початку іспитів.
Функції P(t), F(t), λ(t) взаємозалежні, тому для їхнього визначення досить
знати тільки одну. На практиці перевагу віддають інтенсивності відмовлень, тому
що її простіше визначити експериментально.
Для більшості об'єктів (деталей, виробів) залежність P(t) можна зобразити
кривої [ ], що має три ділянки[12-14]:
0 < t < t1; t1 < t < t2; t > t2.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 46
Перша ділянка називається періодом чи приробляння періодом ранніх
відмовлень. Поява відмовлень у цьому періоді звичайно викликано
конструктивними чи виробничими дефектами.
Друга ділянка постійної інтенсивності λ(t) = const характеризує нормальну
експлуатацію, на цій ділянці[12-14]:
P(t) = exp(- λ • t) (4.20)
Третя ділянка t - t2 називається періодом износовых відмовлень.
Середній наробіток до відмовлення tср визначається як математичне
чекання наробітку до першого відмовлення.
Розрахунок надійності будемо виробляється для другої ділянки.
Середній час безвідмовної роботи визначається по формулі[12-14]:
TСР = 1 / λ (4.21)
Інтенсивність відмовлень усієї системи визначається зі співвідношення:
λ = λ (4.22)
Для систем, елементи яких працюють в умовах сталості інтенсивності
відмовлень, імовірність безвідмовної роботи може бути визначена по формулі[12-
14]:
P = n
i=1 П Pi = exp(- t • λi) = exp(-λ • t) (4.23)
Як видно з приведених залежностей надійність визначається інтенсивністю
відмовлень окремих елементів системи λi у період її нормальної експлуатації.
Вихідні дані і результати розрахунків приведені в додатку Г.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 47
5 Технологічний розділ

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 взаемозамінністю[18-21].

5.1 Аналіз елементної бази перетворювача
Відповідно до схеми електричної принципової підсилювача
(РС-83ск.022.406.001Э3) у якості елементної бази використовуються такі
вироби електронної техніки:
 Резистори постійні С2-23-0,125 із різноманітним номінальним опором,
але з однаковим допустимим відхиленням опору від номінального ± 10 %, що дає
можливість поліпшити роботу устрою при різноманітних режимах роботи;
 Конденсатор постійної ємності вакуумний 1206 із допустимим
відхиленням ємності від номінальної ± 20 %;
 Конденсатори постійної ємності керамічні на номінальну напругу до
1600 В ECR 50В, 16 В із допустимим відхиленням ємності від номінальної ± 20 %;
 Мікросхеми інтегральні LM358D, 7805 і AT89S53-24PI, що мають
прямокутний пластмасовий корпус типу 201. 14-1 з однаковою напругою
живлення ± 15 В.
Всі вироби електронної техніки (ВЕТ) працюють в однаковому тепловому
експлуатаційному режимі від -60 до +70 °С при номінальному електричному
навантаженні і від -60 до + 125 °С при зниженні електричного навантаження до
0,1 РН. Мінімальний наробіток на відмову всіх ВЕТ 25000 часів. Термін зберігання
15 років.

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 48
5.2 Обґрунтування вибору варіанта технологічного процесу
Для друкованої плати вибирається наступна схема технологічного процесу
складання і монтажу радіоелементів.
Складання і монтаж вузлів одноплатної конструкції з ручним
встановленням радіоелементів при використанні методу інсмідуальної пайки[18-
21].
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[18-21].
1. Контроль радіоелементів по номіналам «придатний-непридатний».
2. Рихтування виводів.
3. Підрізка виводів.
4. Загинання виводів.
5. Вкладка радіоелементів в технологічні касети.
6. Лудження виводів радіоелементів.
7. Формування виводів радіоелементів.
Операції складання ДП[18-21].
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.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 49
8. Контроль правильності і якості встановлення радіоелементів.
Операції пайки монтажних з’єднань на ДП[18-21].
1. Обезжирення плати.
2. Флюсування місць пайки.
3. Пайка з’єднань на платі.
4. Допайка з’єднань.
5. Промивка плати.
6. Висушування плати.

5.3 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.
Проводи 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[18-21].

5.4 Загальні вимоги на пайку
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
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 50
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 паяних матеріалах, добре проникати в зазори і видалятися з них, легко
витіснюватися розплавленим припоєм, бути термічно стабільним, не виділяти
шкідливих для здоров’я газів, не викликати корозію паяних металів і припоїв[18-21].
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 сурми, срібла, вісмуту, кадмію. 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 паяного металу; корозійна стійкість як в процесі пайки, так і при
експлуатації[18-21].
Технологічні вимоги до припою передбачають добру змащуваність
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.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 51
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.
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[18-21].
Поверхня монтажних з'єднань повинна мати глянсовий вид без видимих
пор, забруднень, напливів, гострих опуклостей припою, сторонніх вкраплень або
окислів. Припой 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[18-21].
Паяння повинне забезпечувати при зовнішньому огляді розташування
контурів підпаяних проводів.
При монтажі штепсельного розєму припускається незначний наплив
припою на зовнішню поверхню контакту. Не припускаються каплевидні і
шиповидні напливи[18-21].
Температуру жала паяльника необхідно контролювати приладом 4-703
МГ2.821.Э1649 або МПП-254М.

5.5 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[18-21].
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 52
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.
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[18-21].
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[18-21].
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.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 53
При об'ємному монтажі на друкованих платах припускається за
узгодженням із замовником не робити нанесення що перевіряються паянь лаком.

5.6 Загальні вимоги до складання
До виконання роботи зі складання ДП припускаються особи, що атестовані
по операціях даного технологічного процесу[18-21].
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
інсмідуальних 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[18-21].
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.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 54
При складанні і здачі виробів необхідно додержуватися вимоги відповідно
до СТП-803-78-87.
Припускається використання технологічний тари АЛ7890-3054, АЛ1056-
3190.

5.7 Нормування монтажних робіт
Нормування монтажних робіт виконують на підставі карт технологічних
процесів, що визначають порядок виконання операцій, використання приладів,
інструментів, матеріалів, а також режимів 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[18-21]:
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, по таблиці 4 [5]
маємо 14 %.
Відповідно до складального креслення ДП перетворювача (РС-
83ск.022.406.001.СБ) монтаж виробів електронної техніки на ДП має такі наступні
переходи, що приведені в таблиці 1.2.

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 55
Таблиця 5.1 - Оперативний час на виконання операцій по монтажу ДП
№ Назва роботи Кількість Оп.час, t∑ хв
п/п елементів, ТОП, хв.
шт.
1 Лудження резисторів 41 0,179 7,34
2 Лудження конденсаторів 27 0,179 4,84
3 Лудження мікросхем 26 0,839 21,82
4 Вирівнювання виводів виробів 552 0,105 57,96
електронної техніки
5 Зачищення виводів виробів 552 0,155 86,56
електронної техніки
6 Обрізання виводів виробів 552 0,074 40,85
електронної техніки
7 Установлення резисторів 41 0,168 6,89
8 Установлення конденсаторів 27 0,138 3,73
9 Установлення інтегральних мікросхем 26 0,336 8,74
10 Пайка кінців виводів виробів 552 0,164 90,53
електронної техніки
Всього 329,26

Tшт = Tоп ⋅К (5.2)
Підставляємо вихідні дані у формулу й одержимо:
ТШТ= 329,26 (1 + 14 / 100) = 375,37 хв.
В додатку Д наведений комплект документів на технологічний процес на
монтаж виробів електронної техніки на ДП перетворювача реєстратора
електронного технологічних параметрів.

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 56
6 Спеціальний розділ

6.1 Економічне обґрунтування розробки приладу
Характерною рисою світового розвитку інформаційних та керуючих
систем є все більш широке застосування у всіх сферах життєдіяльності датчиків
різноманітних фізичних величин, переважно неелектричні. Датчики фізичних
величин (ДФВ) застосовуються в промисловому контролі, автоматизації
виробничих процесів, автомобільному, авіаційному та залізничному транспорті,
авіаційному техніки та атомної енергетики. Особливо велика їхня роль при
вимірах ФВ в екстремальних умовах експлуатації: ударні навантаження, радіація,
вібрації, температура.
ДФВ стають основними елементами, що визначають технічний рівень та
вартість інформаційних та керуючих систем. При цьому, крім високих
метрологічних характеристик, ДФВ повинні мати високим ступенем надійності,
довговічністю, стабільністю, малими габаритами, масою та енергоспоживанням.
Слід зазначити, що сучасні промислові інформаційні системи мають
пірамідальну багаторівневу структуру, причому інформація про стан та
функціонування об'єкта передається від нижнього рівня до верхнього [23-25].
Датчики та виконавчі пристрої за допомогою цифрових (RS485, 1-Wire,
CAN) та аналогових інтерфейсів (0-5В, 4-20мА, 0-16мА, 0-24мА) підключаються
до промислових контролерів або спеціальних пристроїв передачі даних,
виготовлених конкретного типу датчика [9].
Особливістю цього рівня є його підвищена інформативність і
різноманітність засобів вимірювання та відмінність у видах сигналів по амплітуді,
типу (аналоговий, цифровий, електричний, неелектричний); діапазону та ін.
Як правило, більшість ДФВ сприймає одну величину, наприклад, тиск,
переміщення, температуру, при цьому точки знімання у ДФВ різні, що утруднює
забезпечити побудову єдиної моделі об'єкта.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 57
У той же час, практика вимірювань у приладобудуванні показує, що з всіх
вимірюваних параметрів у техніці, промисловості та технологіях, є тиск (30–40) %
та температура (10–20) % усіх вимірювань.

Визначення вартості системи контролю за тиском
Метою даного розділу є обґрунтування економічної доцільності і
ефективності системи контролю за тиском . При цьому, за рахунок використання
сучасного мережевого обладнання і нових технічних рішень, збільшується
продуктивність, пропускна спроможність і надійність сортувального обладнання,
зменшуються: витрати часу і засобів на обслуговування.
Далі будуть приведені розрахунки, що дозволяють кількісно визначити
економічні показники проектування та виготовлення системи контролю за
тиском.
Розрахунок прямих витрат на розробку та виготовлення системи контролю
за тиском .
Таблиця 6.1- Розрахунок вартості основних матеріалів
Одиниця Кіль- Сума
№ п/п Назва обладнання, матеріалів
виміру кість витрат грн.
1. Перелік обладнання:
1.1 Радіоелементи та матеріали шт - 2190
Всього: 2190
Загальна вартість матеріалів 2190грн.
Виготовлення передбачає види робіт, які вказані в таблиці 6.2.
Таблиця 6.2 - Витрати часу
Норма часу на
№ Кількість, Загальні витрати
Назва матеріалів одиницю роботи
п./п. шт. часу, год
люд./год.
1 Розробка пристрою 1 40 40
2 Розробка плати 1 16 16
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 58
Продовження таблиці 6.2
Нанесення зобра-
3 1 2 2
ження на плату
Травка плати,
4 1 2,32 2,32
промивка.
Підготовка ножок
5 552 0,01
елементів 5,52
6 Лудіння плати 1 2 2
Лудіння ніжок
7 552 0,01
елементів 5,52
8 Монтаж елементів 94 0,004 0,376
9 Пайка плати 552 0,02 11,04
10 Перевірка плати 1 15,33 15,33
Всього: 100,11
На виготовлення друкованої плати затрачуємо 100,11 годин.

Розрахунок допоміжних витрат
Для розрахунку допоміжних витрат використовуються дані таблиці 6.3.
Таблиця 6.3 - Нормування допоміжних витрат
№ Назва Одиниця Сума витрат, грн.
Кількість
П/П матеріалів виміру За одиницю Загальна
1 Припій кг 0,07 25 1,75
2 Флюс , Ф3 л 0,192 40 7,84
3 Спирт л 0,05 5 0,25
4 Хлорне залізо Упаковка 1 27 27
5 Лак л 0,05 50 0,25
Всього : 37,09

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 59
Розраховується вартість електроенергії що споживається в процесі обробки
плати[23-25].
Визначаються витрати електричної енергії на освітлення по формулі (6.1) .
W місце.осв. = Р освітлення × Т витр. (6.1)
W місце.осв. = 0,24 × 13,17 = 3,16 кВт×год.
Р освітлення = 0,24 кВт
Т витр. – час витрачений з приладом.
Визначаються витрати електричної енергії на електричний дриль по
формулі (6.2) .
Wел.дриль = Р освітлення × Т витр. (6.2)
Wел.дриль = 0,9 × 1.239= 1,1151 кВт×год
Р ел.дрелі = 0,9 кВт
Т витр. – час витрачений з приладом.
Визначаються витрати електричної енергії на паяльник по формулі (6.3)
Wел.паяльн. = Р освітлення × Т витр. (6.3)
Wел.паяльн. = 0,04 × 3,008 = 0,12 кВт × год
Р паяльника = 0,04 кВт
Т витр. – час витрачений з приладом.
Загальні витрати електричної енергії визначаються по формулі (6.4)
Wзаг.= Wміс.осв.+Wел.дрел.+Wел.паяльн. (6.4)
Wзаг.= 3,16+1,1151+0,12=4,431 кВт
Визначається вартість використаної електричної енергії по формулі[23-25]
(6.5)
Вел.ен= Wзаг × Тел. енергії. (6.5)
де Тел.енергії - тариф за ел. енергію 0,9 грн./кВт × год.
Вел.ен =4,431 × 0,9 =3,98грн.
Визначається відшкодування зносу інструментів в таблиці 6.4.

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 60
Таблиця 6.4 - Відшкодування зносу інструментів
№ п/п Назва пристрою Вартість пристрою, грн. Примітка
1. Електродриль 473
2. Тестер 80
3. Паяльник 65
Всього 618,00

Відшкодування зносу інструментів приймаємо рівним 0,5% на рік. По
формулі (6.13) розраховуємо суму відшкодування зносу інструментів.

Ввідш.=0,005×Вінст.=0,005×618=3,09 грн. (6.6)

Розрахунок собівартості виготовлення системи контролю за тиском
Для визначення собівартості виготовлення системи контролю за тиском
необхідно виконати розрахунок прямих та інших витрат, пов’язаних з
виробництвом[23-25].
Розрахунок прямих витрат виконуватимемо за даними таблиці 6.5.
Таблиця 6.5 - Розрахунок прямих витрат
№ п/п Назва статей витрат Сума витрат, грн. Примітка
1 Прямі матеріальні витрати
1.1 Сировина, матеріали 2190 Таблиця 6.1
1.2 Допоміжні матеріали 37,09 Таблиця 6.3
1.3 Електроенергія 3,98 Вел.ен.
Відшкодування зносу
3.2 3,09 Відшкодування
інструментів
Всього: 2234,16

Отже, прямі витрати на розробку та виготовлення системи контролю за
тиском складають 2 234,16грн.

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 61
6.2 Охорона праці

Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на інженера-
дослідника в електротехнічній лабораторії
В процесі розробки проекту системи автоматичного контролю
технологічних газів потрібно використовувати сучасну комп’ютерну техніку.
Тому в даному розділі буде проведений аналіз умов праці дослідника, який
виконуватиме таку роботу. За рівнем фізичних навантажень дана робота
відноситься до категорії І а (робота з витратою до 120 ккал/год, сидячи без
фізичної напруги).
Робоче місце дослідника є постійним і складається зі столу, на якому
встановлений персональний комп’ютер, принтер, та стільця. Воно знаходиться в
окремій аудиторії, мебльований робочими столами зі встановленими на них
комп’ютерах. Тип робочого крісла дослідника обирається у відповідності ДСТУ
7951:2015 та в залежності від тривалості роботи: при тривалій – масивне, при
короткочасній – крісло легкої конструкції, яке легко пересувати. Ширина столу
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.
Розміри кімнати 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
припадає на одну людину, дорівнює 25,2 м3, що відповідає вимогам ДБН
В.2.2.28-2010.
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[28-29]:
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 62
- теплий період року – 23-25 °С (допустима – 20-28 °С). ;
- в холодний період року – 22-24 °С (допустима – 21-25 °С).
2. Вологість повітря[28-29]:
- в теплий період року – 40-60 %;
- в холодний період року – 40-60 %.
3. Швидкість руху повітря[28-29]:
- 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[28-29]:
- в теплий період року – 30-31 °С ;
- в холодний період року –21-23 °С .
2. Вологість повітря[28-29]:
- в теплий період року – 50-52 %;
- в холодний період року – 55-56 %.
3. Швидкість руху повітря[28-29]:
- в теплий період року – 0,08-0,1 м/с;
- в холодний період року – 0,07-0,15 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, вентиляції та кондиціювання». Система опалення складається з 8
сучасних плоских секційних радіаторів, які встановлені безпосередньо під
вікнами вздовж стін[28-29].
Природне освітлення здійснюється через два вікна. Розміри двох вікон
приміщення однакові і становлять 2 х 1,15 м. Робочі столи розташовані таким
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 63
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 20-25 %. Тому рівень природного освітлення відповідає
ДБН В.2.5-28-2006[28-29].
Також в приміщенні передбачена система штучного освітлення.
Лабораторія обладнана шістьма світильниками типу ЛСП 02В-2х40, кожний з
яких має дві люмінесцентні лампи денного світла. Для даного типу зорової праці
необхідна величина штучного загального освітлення складає 400 лк, фактична
величина становить 450 лк, що відповідає ДБН В.2.5-28-2018[28-29].
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[28-29].
Згідно з ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми допустимих рівнів шуму на
робочих місцях» нормативне значення еквівалентного рівня шуму при даному
видові діяльності та типу робочого місця складає 60 дБА. Дане робоче місце
відповідає цій вимозі, оскільки фактичний рівень шуму складає 46-49 дБА[28-29].
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.
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
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 64
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 ланцюгів системи бездротового збору
інформації і обробка експериментальних даних. При проведенні цих робіт
використовують контрольно-випробувальну апаратуру, вимірювальні стенди.
Тому у лабораторії знаходиться різного роду прилади, що живляться від мережі
напруги 220 В, 50 Гц. Приміщення відноситься до категорії приміщень без
підвищеної небезпеки ураження працюючих електричним струмом відповідно до
ПУЕ-17. 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 електричним струмом чи зарядом
статичної електрики в лабораторії є система захисного заземлення відповідно
ДСТУ Б В.2.5-82:2016[28-29].
Інструктаж з техніки електробезпеки, який проводиться з працівниками,
складений на основі ДНАОП 0.00-1.32-01 «Правила будови електроустановок.
Електрообладнання спеціальних установок» та ДСТУ Б В.2.5-82:2016[28-29].
Лабораторія відноситься до приміщень з категорією вибухопожежо-
небезпеки типу В, згідно з ДСТУ Б В.1.1-38:2016. 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[28-29].
В даній лабораторії забезпечуються необхідні заходи щодо протидії
виникнення пожежонебезпечних ситуацій згідно з НАПБ А.01.001-2004 «Правила
пожежної безпеки в Україні». Приміщення лабораторії обладнане порошковим
вогнегасником ВП-5, який знаходиться у кутку кімнати в місці вільного доступу,
згідно з Правилами експлуатації вогнегасників[28-29].
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 65
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 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 середині приміщення 24 оС, вологість повітря 55%, кількість працюючих
- 6 осіб, категорія робіт - легка, швидкість руху повітря не більше 0,1 м/с.
Максимальна температура зовнішнього повітря 31 оС.
Розрахунок надходження тепла в приміщення
Тепловиділення від обладнання.
Джерелами даного тепловиділення є чотири ПК. Тепловиділення від
обладнання розраховуємо за формулою[28-29]:
, (6.7)
де - коефіцієнт тепловіддачі від поверхні до повітря приміщення,
ккал/(год⋅м2⋅оС);
= 0,6 м2 – площа нагрітої поверхні;
= 38 оС – температура нагрітої поверхні;
= 24 оС - температура повітря в приміщенні;
де V = 0,1 м/с - швидкість руху повітря.
Коефіцієнт розраховують для твердих поверхонь з урахуванням
швидкості руху повітря (V = 0,1 м/с) за формулою:
(6.8)
Звідси знаходимо тепловиділення від обладнання:

Тепловиділення від обладнання склало 79,6 ккал/год.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 66
Тепловиділення від штучного освітлення
Тепловиділення від штучного освітлення розраховуємо за формулою[28-29]:
, (6.9)
де - 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[28-29]:
, (6.10)
де - повне тепловиділення людиною, ккал/год;
- явне, тепловиділення людиною ккал/год;
- скрите тепловиділення людиною, ккал/год;
При температурі в приміщенні , при категорії робіт – легка та для
чоловіків:
;

Враховуючи те, що в приміщенні працює 6 осіб[28-29]:
(6.11)
.
Виділення тепла від людей в приміщенні становить 780 ккал/год.
5.2.1.4 Надходження тепла через заповнення світлових отворів.
Надходження тепла через заповнення світлових отворів розраховуємо за
формулою:
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 67
, (5.6)
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:
, ;
- площа заповнення світлового отвору, що визначається його
найменшим розміром в світлі;
(6.12)
- коефіцієнт відносного проникнення сонячної радіації через
заповнення світлового отвору;
- опір теплопередачі заповнення світлового
отвору;
, - температура зовнішнього та внутрішнього повітря,
Спочатку знайдемо кількість теплоти q1 і q2:
, (6.13)
,
де і - кількість тепла прямої та розсіяної
сонячної радіації відповідно,
- коефіцієнт, що враховує затінення засклення світлових отворів,
- коефіцієнт, що враховує забруднення скла,
ккал/год⋅м2,
ккал/год⋅м2.
Сумарне надходження тепла через заповнення світлових отворів:
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 68
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[28-29]:

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 = 24oC дорівнює[28-29]:
=130 г/люд⋅год = 0,13 кг/люд⋅год,
а 6-ма працюючими:
=6⋅130 = 780 г/люд⋅год = 0,78 кг/люд⋅год.
Кількість вологи, що надходить від людей у приміщення 0,78 кг/люд.
Розрахунок повітрообміну
Тепловологістне відношення процесу асиміляції тепла та вологи[28-29]:
(6.14)
Кількість повітря, потрібного для загальнообмінної вентиляції в
приміщеннях з видаленням тепла, визначається за формулою:
, (6.15)
де - коефіцієнт, який враховує долю тепла, що надходить в робочу
зону;
- кількість надлишкового повного тепла, що підлягає видаленню,
ккал/люд;
та - ентальпія, відповідно, повітря в робочій зоні та приточного,
вибираються за значенням по : =14.3 ккал/кг, =12.6 ккал/кг (при робочій
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 69
різниці температур oC). Робоча різниця температур задається, виходячи з
систем подачі припливного повітря та характеру роботи. Отже:
, (6.16)
де - температура в робочій зоні, оС;
- початкова температура повітря, що надходить, оС.
Звідси температура припливного повітря:
оС
Кількість повітря[28-29]:
= (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[28-29]:
, (6.17)
де К=1 - коефіцієнт врахування втрат повітря у сітці, якщо кондиціонер
встановлений всередині приміщення.
Корисна продуктивність системи кондиціонування повітря, м3/год:
,
де - визначають, виходячи з максимальних надлишків явного тепла:
, (6.18)
де - сума надлишкових виділень тепла в приміщенні, ккал/год.
γ - густина повітря (1.22 кг/м3);
с - теплоємність повітря (с = 0.24 ккал/кг⋅оС);
, - температура відповідно вилучаємого і припливного повітря, оС.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 70

Звідси повна продуктивність:
м3/год.
Отже повна продуктивність кондиціонера становить 1107 м3/год.
Розрахунок потужності повітроохолоджувача
Максимальні витрати холоду в кондиціонері для теплого періоду року
розраховуються за формулою[28-29]:
, (6.19)
де - повна продуктивність системи, м3/год.
γ - густина повітря припливного повітря, кг/м3.
і - ентальпія відповідно зовнішнього повітря і припливного повітря,
ккал/кг.
Отримуємо:
=1107⋅1.2⋅(14.5-12.6)= 2524 ккал/год.
Переведемо отримане значення потужності охолодження в Вт:
Вт. (6.20)
Потужність повітроохолоджувача кондиціонера отримана у 2935 Вт.
5.2.6 Вибір моделі кондиціонера
Провівши розрахунок параметрів кондиціонера, виберемо з існуючих
вітчизняних та зарубіжних зразків найбільш підходящий кондиціонер.
В ході розрахунку були отримані такі параметри:
1. Повна продуктивність системи кондиціонування повітря: Lp=1107
м3/год;
2. Потужність охолодження: P=2935 Вт.
Згідно отриманих за розрахунками даних обираємо кондиціонер LG
H09MW з такими функціями та складовими:
Основні функції: охолодження, обігрів, фільтрація, іонізація та осушення
повітря, вентиляція.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 71
Основні характеристики:
- Напруга живлення - 220 В;
- Розмір приміщення - 25 кв. м;
- Витрата повітря - 870 м3/год;
- Споживана потужність – 0,45 кВт;
- Максимальна продуктивність охолодження - 3,8 кВт;
- Енергоефективність в режимі охолодження (EER) - 5,6;
- Максимальна продуктивність обігріву - 6,5 кВт;
- Енергоефективність в режимі нагріву (COP) - 5,6;
- Розміри внутрішнього блоку - 875 х 295 х 235 мм;
- Розміри зовнішнього блоку - 770 х 545 х 288 мм;
- Рівень шуму внутрішнього блоку - 41 дБ;
- Тип фреону (холодоагент) - R410A.
Додаткова інформація:
- Діапазон зовнішніх температур на обігрів - від -10°C до +24°C;
- Діапазон зовнішніх температур на охолодження - від -10°C до +48°C;
- Автоматичний перезапуск;
- Таймер включення-виключення;
- Пульт дистанційного керування;
- Марка компресора – LG (Виробництво Корея);
- Діаметр газової магістралі (мм/дюйм) - 9,52 (⅜ ");
- Діаметр рідинної магістралі (мм/дюйм) - 6,35 (¼");
- Максимальна довжина магістралі – 15 м;
- Максимальний перепад висоти – 7 м.
Кондиціонер LG H09MW має нижчеперелічені переваги:
1. Jet Cool - технологія, що дозволяє швидко (до 5,6 хвилин) знижувати
температуру в приміщенні на 5 градусів, використовує модифікований вентилятор
внутрішнього блоку.
2. Застосування в кондиціонері LG H09MW безщіткового електродвигуна
постійного струму (BDLC), в якому використані потужні неодимові магніти,
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 72
дозволяє підняти на новий рівень енергоефективність кондиціонера.
Енергоспоживання електродвигуна BDLC, порівняно з двигунами змінного
струму, в середньому нижче на 35%.
3. Застосований вентилятор типу Skew, в якому направляючі лопатки,
розташовані під деяким кутом до осі вентилятора дозволяє значно зменшити опір
повітря, що проходить через теплообмінник, що в свою чергу знижує рівень шуму
при роботі внутрішнього блоку.

Рисунок 6.1 – Зовнішній вигляд кондиціонера LG H09MW

4. Plasmaster Cyclon - плазмовий фільтр третього покоління по
ефективності перевершує фільтри минулого покоління в середньому на 30%
завдяки спільному використанню електричного і магнітного полів.
5. Gold Fin - технологія, що дозволяє значно збільшити термін служби
теплообмінника кондиціонера уникаючи втрат його робочих характеристик з
часом, використовує особливу антикорозійне покриття алюмінієвого оребрення
теплообмінника.
6. Way Swing - технологія чотиристоронньої подачі повітря, забезпечує
рівномірне і прискорене розподіл кондиціонером повітря по всьому приміщенню.
Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 73
Висновок

В ході роботи над дипломним проектом була спроектована система
автоматичного контролю технологічних газів
В ході проектування були підібрані необхідні мікросхеми та
радіоелементи, а також розрахований блок перетворення сигналу. Який поступає
від датчика тиску. Розроблений блок перетворення, підсилення та відображення
інформації.
Було проведено розрахунок на точність, при цьому враховувались похибки
датчиків, аналогової і цифрової частини пристрою. Похибка становить 0,97 %
проти 1,5 % обумовленої в технічному завданні. При розрахунках надійності була
використана ЕОМ.
В технічному розділі розроблено монтаж плати блоку перетворення та
складені маршрутно-операційні карти.
.

Лист
РС-83ск.022.406.001ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпись Дата 74

ChSTU repository

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