ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8636| Title: | Акустичний реєстратор глибини під кораблем |
| Authors: | Туз, Вячеслав Валерійович Рожченко, Дмитро Ігорович |
| Issue Date: | 20-Jun-2022 |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8636 |
| Appears in Collections: | 151 Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані технології (Робототехнічні системи та автоматизація) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| КРБ Рожченко Д.pdf Restricted Access | КРБ Рожченко Д. | 1.8 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
Зміст
Стор.
Технічне завдання…………………………………………………..…… 3
Вступ............................................................................................................... 5
1 Обґрунтування необхідності проектування на основі критичного
аналізу існуючих аналогів........................................................................... 7
2 Обґрунтування технічного завдання......................................................... 19
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми ………….. 21
3.1 Розробка структурної схеми……….………………………………… 21
3.2 Аналіз структурних схем та вибір оптимальної................................... 23
3.3 Опис роботи схеми.................................................................................. 25
3.4 Особливості формування полілокаційного режиму, просторово-
часові співвідношення........................................................................................... 30
3.5 Розробка принципової схеми блока збору та перетворення
інформації………………………………………………………………………… 35
4 Розрахунок основних елементів пристрою…………………………… 45
5.1 Визначення параметрів електроакустичного перетворювача……… 45
4.2 Розрахунок загальних та динамічних параметрів................................ 50
4.3 Розрахунок енергетичних параметрів................................................... 57
4.4 Оцінка надійності............................................................................... .... 64
4.5 Аналіз похибки........................................................................................ 65
5 Технологічний розділ................................................................................. 69
5.1 Коротка характеристика виробництва................................................... 69
5.2 Підготовчі операції при складанні......................................................... 69
5.3 Елементи герметизації............................................................................ 70
СКРС-83ск.022.401.001ПЗ
Изм Лист № докум. Подп. Дата
Р азраб. Рожченко Д.І. Акустичний реєстратор Лит. Лист Листов
Пров. Туз В.В. глибини під кораблем Т 3
Н.контр Тичков В.В Пояснювальна записка ЧДТУ
Утв.
5.4 Технологічність конструкції................................................................... 70
5.5 Розрахунок часу технологічного процесу зборки…………………… 71
5.6 Розрахунок розмірного ланцюга……………………………………… 74
5.7 Розрахунок геометричних розмірів корпуса антени………………… 76
6 Спеціальний розділ……………………………………………………… 78
6.1 Економічне обґрунтування необхідності проектування та
експлуатації приладу…………………………………………………………… 78
6.2 Охорона праці………………………………………………………… 81
Висновок…………………………………………………………….……. 97
Список використаної літератури………………………………………... 98
Додаток А Відомість технічного проекту................................................
Додаток Б Список нормативних документів..............................................
Додаток В Специфікації та переліки елементів..........................................
Додаток Г Результати розрахунків на ЕОМ................................................
Додаток Д Карти технологічного процесу.................................................
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. 4
Арк № докум. Підпис Дата
Вступ
Швидкий розвиток гідроакустики та гідроакустичних засобів для вивчення
морського та річкового дна пов’язано з тим, що дякуючи своїй природі та
властивостям середовища акустичні хвилів ній здатні збуджуватися за допомогою
порівняно низьких затрат енергії та розповсюджуються краще ніж інші види
хвиль, наприклад, світлові або електромагнітні. Простий розрахунок показує, що
дальність розповсюдження плоскої монохроматичної хвилі в морському
середовищі приблизно в 1000 разів менше дальності розповсюдження звукової
хвилі тієї ж самої частоти. Практика використання технічних засобів потребує
більш докладного дослідження теорії та методів формування спрямованості
гідроакустичних антен для забезпечення належної дозволяючої здатності, захисту
від завад та дальності дії гідроакустичних приладів. Більший вплив на роботу
пристроїв вказують особливості розповсюдження звукових хвиль в водному
середовищі, межа поверхні та дно, природа та геометрія різного виду об’єктів та
перешкод, які відбивають звукові хвилі[4].
В теперішній час спостерігається постійне поширення складу
гідроакустичних засобів при проведенні досліджень дна та донних відкладень.
Гідроакустичні засоби є незамінними при вивченні різних явищ в пласті та на
поверхні дна.
При відбиранні гідроакустичної апаратури при розв’язанні тих чи інших
завдань споживач, перш за все, виходячись з призначення та тактичних
характеристик. Способи вдосконалення гідроакустичної апаратури в сучасний
час йдуть по кільком напрямкам. Перш за все, та найбільш актуальне, є
удосконалювання акустичних антен, електронного та реєструю чого обладнання,
покращення методів інтерпретації отриманих результатів, а також розробка
комплексних методів використання гідроакустичних засобів.
Зокрема, комплексування гідролокатора бокового огляду та акустичного
профілографу дозволяє отримати квазитрьохмірне уявлення о поверхні та
глибинній побудові дна в достатньо широкій смузі огляду вздовж маршруту руху
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 5
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
науково-дослідного судна. Помітно, що це значно підвищить продуктивність
праці, збільшить геологічну інформованість дослідження.
Акустичні профілографи в теперішній час використовують досить широко
при вивченні стратифікації опадів завтовшки од одиниць до десятків метрів,
проведенні геологічних та археологічних досліджень, вивченні акустичних
характеристик дна, дослідженні конструкцій та трубопроводів, що засипані
опадами.
Дана робота є продовженням робіт над окремими приладами, які
призначені для роботи в геолого – геофізичних досліджень. Особливістю роботи є
створення об'єднання окремих систем в єдиний комплекс.
Головним вузлом любого гідроакустичного приладу є гідроакустичний
перетворювач, перетворюючий електричну енергію в акустичну та зворотно.
Виходячи з вище описаного в даному дипломному проекті головний упор
буде поставлено на розробку приладу, що використовує для підвищення
дозволяючої здатності по кутовій координаті метод полі локації, тобто
багатократного перевідбиття хвильового пакету між акустичними
неоднорідностями вода – дно, та вода – повітря, розрахунок енергетичних
показників системи, часових співвідношень при полілокаціонному режимі,
параметрів гідроакустичного перетворювача.
Більш того будуть розглянуті технологія збирання перетворювача, а також
питання охорони праці з приводу обладнання робочих місць. При дослідженнях
антен проводяться операції по контролю, перевірці та випробуванню їх в різних
статичних та динамічних режимах. Їх необхідно проводити у лабораторному
приміщенні, що відповідає санітарно-гігієнічним нормам по розміру,
мікроклімату, чистоті повітря, освітленню.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 6
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
1 Обґрунтування необхідності проектування на основі критичного
аналізу існуючих аналогів
Вперше застосування пружних коливань для пошуку підводних човнів.
Мін, для підводної сигналізації та захисту кораблів від піщаних мілів, різного
типу перешкод описано в патенті Шиловського № 502913 від 29 травня 1916 року
та пізніше досліджено та описано в роботах Ланжвена. Методологія ехолокації та
принцип роботи з того часу принципово не змінювався[2].
При вимірюванні глибини та вивченні поверхні дна використовують
ехолоти. Дія ехолоту заснована на вимірюванні проміжку часу від моменту
посилки до моменту прийому відбитого від дна ехосигналу. Глибина дна h=ct/2,
де с- швидкість звуку у воді. В якості посилки використовують акустичні
імпульси тривалістю од долів до одиниць мілісекунд та з частотою заповнення од
одиниць до кількох десятків (іноді сотен) кГц. Спрощена схема дії ехолокатора
приведена на рисунку 1.1[2].
2
1
4
3
5
6 7 8
Рисунок 1.1 – Спрощена схема дії ехолокатора 1- антена, 2- комутатор,
3- генератор, 4- приймач, 5-пристрій обробки, 6-самописець, 7- блок звукової
сигналізації, 8- реєструючий прилад.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. Підпис 7
Дата
Потужний ультразвуковий імпульс від генератора 3 через комутуючий
пристрій 2 опромінюється антеною 1 в воду; відбитий сигнал приймається
антеною, виділяється та підсилюється приймачем 4, далі обробляється пристроєм
обробки 5, де перетворюється в форму, необхідну для обробки різними
пристроями, наприклад, пристроєм індикації 8, самописцем 6, іншим пристроєм
відображення чи подальшої обробки інформації.
В геофізіці в якості випромінювача використовуються електродинамічні
перетворювачі, іскрові розрядні, гідравлічні, та інші електромеханічні
перетворювачі, дія яких заснована на використанні явища гідравлічного удару. Ці
випромінювачі мають суттєві недоліки, такі як: залежність потужності, що
випромінюється від глибини занурення, сферична характеристика спрямованості,
труднощі синхронування роботи випромінювача при роботі в групі, складність та
висока вартість устаткування, обмежений частотний діапазон та низька частота
імпульсів, що зондують. Практично всі ці перетворювачі працюють в режимі
опромінення[4].
В якості випромінювача та приймача можуть бути застосовані головним
чином магнітострикційні або п’єзоелектричні перетворювачі. Функції
випромінювача та приймача можуть бути розподілені між двома або суміщені в
одному перетворювачі.
Акустичні профілографи, що використовують магнітострикційні
перетворювачі, мають значну потужність, але вони не знайшли широкого
застосування в техніці профілювання з-за високої вартості, значної маси та
надмірно високої механічної добротності. Це викликає затягування акустичних
імпульсів, що випромінюються, що викликає зниження дозволяючої здатності
системи. Для усунення цього на антену необхідно подати два електричних
імпульсу: опромінений та протифазний, що загасає власні коливання
перетворювача. Природно, що це значно ускладнить конструкцію профілографа.
В якості магнітострикційних матеріалів в антенах використовують
ферромагнитні матеріали, нікель або сплав заліза з алюмінієм (альфер) [4].
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 8
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Широко застосовані феритні антени. Якщо на ці матеріали подіяти
змінним магнітним струмом , їх лінійні розміри починають змінюватися, і
навпаки.
В більшості магнітострикційних антен ККД значно нижче, порівняно з
антенами, виготовлених на п`єзоелементах, та складає 30-40%; більш того у таких
антенах обмежено верхня межа застосування частот.
Розглянемо докладніше п`єзокерамічні перетворювачі. Найбільш удала
конструкція гідроакустичного стержньового перетворювача була запропонована у
1954 році американським інженером Г.Б. Мілером. Вона практично без усяких
змін використовується до сучасного часу майже в усіх гідроакустичних антенах.
Повздовжній вібратор Міллера представляє несиметричний вібратор, що
армований болтами для підвищення потужності та міцності. Опромінення або
прийом акустичних коливань виконується за рахунок передньої накладки, що
виконана з легкого матеріалу (алюміній, магній, їх сполуки), тильна накладка –
що відбиває, виконана з важкого матеріалу, переважно із латуні, тому має велику
масу. Проаналізувавши переваги та недоліки такого перетворювача визначається,
що передня накладка у переробленої конструкції виконується у вигляді рупору з
достатньо товстими стінками змінного перетину Це значно дозволяє зменшити
масу накладки, а змінна товщина стінки рупору наближає його коливальні
властивості до концентратора конічної форми. При цьому коливання в воду
випромінюються як зовнішньою так і тильною поверхнями, що суттєво дозволяє
збільшити опір опромінення, знизить добротність, збільшити потужність та інші
параметри[4].
В антенах із п`єзоелектричним перетворювачем використовують прямий та
зворотний п`єзоефект. Виготовляють їх із природного або штучно зрощених
кристалів, але найбільше поширення отримала п`єзокераміка, яка є
полікристалічним сегнетоелектриком, в якому під дією електричного поля або
механічних коливань виникає поляризація. Особливо широко застосовані хімічні
сполуки PbTiO3 та PbZn2O3 так звана система PZT (ЦТС) і тітаната барію
BaTiO3.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 9
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
П’єзоелектричні антени із порівняно великим ККД (70-80%)
використовують в гідроакустичних приладах на частотах від кількох кілогерц до
1...2 МГц, що є їх перевагою в порівнянні з магнітострикційними антенами. Більш
того, глибини, де можуть бути застосовані ці перетворювачі без помітних змін
електрофізичних параметрів, практично необмежені.
Головним показником, що визначає характеристику всієї системи є
діаграма спрямованості. Спрямованістю антен називають їх здатність
випромінювати або приймати акустичні хвилі в одних напрямках більше чим в
інших. Спрямованість антен забезпечує концентрацію опроміненої енергії у
вибраному напрямку, що дозволяє збільшити дальність розповсюдження хвиль та
дозволяючу здатність по кутовій координаті.
Для формування вузьких діаграм спрямованості в ехолокаторах
застосовують різні методи.
Один із методів – традиційне збільшення D/λ, де D-діаметр апертури, λ-
довжина хвилі. Цей метод повністю вичерпано. Діаметр апертури неможливо
збільшувати більше 2-3 метрів, так як антена коштує досить дорого, та до того її
важко стабілізувати в просторі. Більш того значно погіршуються гідродинамічні
показники. Зменшення довжини хвилі λ обмежено з-за зростаючого загасання
звуку в середовищі а також кавітаційної міцності.
Принцип роботи параметричного перетворювача заснований на
параметричному перетворенні у водному нелінійному середовищі високо
частотних коливань частот накачування f1 і f2 у сигнал биттів низької частоти,
рівної F = f1 – f2 [5].
Параметричні випромінювачі володіють такими унікальними
властивостями, як формування вузької діаграми спрямованості (ДС) при малому
розгортанні антени, низький рівень бічних пелюстків і ненаправленого
випромінювання (ореола) ДС, сталість ДС у широкій смузі частот – ширина
основного пелюстка зберігається в межах усього діапазону F, що досягає 5–6
октав. Ці властивості реалізуються тільки при використанні високоефективної
передавальної апаратури, що відповідає специфічним вимогам до якості сигналів.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 10
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Широко застосовуються параметричні випромінювачі – що формують
віртуальну антену з великою апертурою за рахунок нелінійного ефекту при
опроміненні хвиль накачки великої інтенсивності на двох близьких частотах при
цьому виникає зона, де утворюються хвилі частот різниці, виконуючих роль
передавальної антени. Вони мають цінну якість – сталу ширину ДС у широкій
смузі частот, малим рівнем бокових пелюстків та високої захищеністю від дії
завад[4].
Перетворювачі експлуатують у водному середовищі при впливі різних
агресивних факторів (корозія, кавітація, обростання), а також широкого діапазону
температур і гідростатичних тисків. Наслідок усіх цих факторів – нагромадження
у відповідних елементах конструкції механічних і електричних ушкоджень,
дифузія пар води усередину перетворювача, старіння матеріалів і т.д. При
проектуванні перетворювача значна увага необхідно приділяти забезпеченню
його надійності і довговічності, в оцінці яких треба враховувати електричні,
механічні, теплові, хімічні й інші впливи в процесі експлуатації, а також
викликані ними фізико-хімічні явища.
З урахуванням усіх цих факторів, п'єзоелектричні матеріали мають істотно
кращі значення параметрів, що визначають ефективність і розміри
перетворювачів, у порівнянні з магнитострикційними. Переваги металевих
магнитострикційних матеріалів – висока механічна міцність, що задає рівень
збудливої механічної напруги, що допускається. Однак сучасні способи
армування підвищують механічну міцність п`єзокерамичних активних елементів
до необхідного рівня й у такий спосіб нейтралізують цю слабку сторону
п`єзоелектричних матеріалів.
Одна з розповсюджених конструкцій ППТ для гідроакустики показана на
рисунку 1.2 [18].
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
11
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
3
4
7
2 5
1 6
Рисунок 1.2 - Циліндричний ППТ для гідроакустики
Активний елемент 6 цього перетворювача складається з найпростіших
п`єзоэлементів (призм), що склеєні одна з одним. Електроізоляцію активного
елемента забезпечують шари твердих, рідких і газоподібних електроізоляційних
матеріалів 5, розташовані між активним елементом 6 і корпусом перетворювача 1
або морською водою. Герметизують активний елемент, сполучаючи вулканізовані
або склеєні шари герметизуючих матеріалів (деталі 1, 3, 4). Відповідний вибір
матеріалів і розмірів деталей забезпечує механічну міцність всіх елементів.
Механічну міцність активного елемента в разі потреби можна підвищити
накладенням елементів армування 4, що створюють спеціальні стискаючі
напруги. Активний елемент кріплять до корпуса 1 за допомогою еластичного
кріплення 3 з полімерних або металевих матеріалів. Як акустичний екран 7
використовують шари матеріалів з високими коефіцієнтами відображення звуку у
воді (шари повітря, а також наповнених повітрям полімерів та
металоконструкцій).
Інший, що випускається промисловістю ППТ показаний на рисунку 1.3 [18].
Тут приведена конструкція приймача ПКС-4, що являє собою керамічний
п`єзоелемент 1, що має форму циліндра. Циліндр забитий з торців кришками 2 і
для збільшення міцності стягнуть металевими скобами 3.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. 12
Підпис Дата
1 Рак 2 3
Uвих.
Рак
Рисунок 1.3 - П`єзоперетворювач ПКС-4
На рисунку 1.4 представлений варіант вібростійкої конструкції ПСП-ТБ.
Приймач виконаний із двох п`єзокерамічних циліндрів 1, прикріплених із
двох сторін до опорної шайби 2 і закритих але кінцям кришками 3. Приймач
закритий захисною кришкою 4. Тому що кріплення п`єзоелементів у приймачі
здійснюється за опорну центральну шайбу, то в зв'язку з цим виникаючі при
вібрації різнополюсні електричні сигнали в обох циліндрах компенсуються при
їхньому з'єднанні. Однак зазначений приймач широкого застосування не знайшов
через не технологічність виготовлення і великої ваги.
1 Рак 2 3
Рак 4
Рисунок 1.4 - П`єзоперетворювач ПСП-ТБ
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 13
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Іншою конструкцією є ППТ дискового типу (ПКС-6), у якому використані
вигибні коливання плоских дискових п`єзоелементів (рисунок 1.5).
Рак 1 2
Uвих.
Рак
Рисунок 1.5 - П`єзоперетворювач ПКС-6
П`єзоелементи у формі диска 1 з п`єзокерамики ЦТС-19 наклеєні на
металеві мембрани 2, що являють собою одне ціле з корпусом.
ППТ, що представлений на рисунку 1.6 (ПК-19), містить п`єзокерамічний
перетворюючий елемент у формі диска, що жорстко зв'язаний з металевою
мембраною, що сприймає звуковий тиск, і п`єзокерамічний елемент для
компенсації віброзавад[18].
Рак
Uвих.
Рисунок 1.6 - П`єзоперетворювач ПК-19
Виникаючі при вібрації різнополюсні сигнали в обох дисках при їхньому
рівнобіжному з'єднанні компенсуються. Однак зазначений приймач не може бути
застосований у морських прийомних пристроях і призначений для космічних
досліджень.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. 14
Арк № докум. Підпис Дата
Усі вище наведені ППТ мають громіздкі розміри і не дають можливості
одержати необхідні електроакустичні параметри.
Найбільш перспективним ППТ, є перетворювач, показаний на рисунку 1.7.
1 Рак 2 3 4
9 8 Рак 7 6 5
Рисунок 1.7 - П`єзоперетворювач ПДС-13
ПДС-13 складається з пластмасового корпуса 1, що має монолітну
конструкцію, у якій закріплюються за допомогою клеячи дві прямокутні металеві
мембрани 3 по торцях з п`єзоелементами 2. П`єзоелементи мають прямокутно-
пластинчасту форму. З'єднання п`єзоелементів з мембранами здійснюється за
допомогою склейки струмопровідним клеєм. До мембран приварюються
контактним зварюванням срібні провідники 8, інші кінці яких підпоюють до
мінусової клеми 9[18].
З другими електродами п`єзоелементів з'єднані струмопровідним клеєм
провідники з ізоляцією 6, інші кінці яких припаяні до позитивної клеми 5.
ППТ цілком герметизується герметиком 4. Пружна прокладка 7 охороняє
від руйнування п`єзоелементи при перевищенні глибинної межі приймача.
Інша конструкція ППТ (ПДС-7) наведена на рисунку 1.8.
Перетворюючим елементом у п`єзоприймачі служить п'єзоелектричний
блок, що складається з чотирьох дискових п`єзоелементів 1, наклеєних на
металеві мембрани 2, жорстко затиснені по контурі. З метою герметизації
п'єзоелектричний блок залитий герметиком 3 і встановлений у розрізний
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. Підпис 15
Дата
пластмасовий корпус 5, що скріплюється двома заклепками 6. Клеми 4 і 7
призначені для підключення п`єзоприймача до апаратури.
а)
1 Рак 2 3 Рак 4
7 Рак 6 5 Рак
б)
1 2
Рисунок 1.8 - П`єзоперетворювач ПДС-7 а - приймач; б - блок
перетворювачів
ПДС-21 з підвищеним захистом від завад, показаний на рисунку1.9.
Він складається з перетворювача, що включає в себе дна циліндричних
п`єзоелемента 1, що консольно закріплений у центральній колодці 2 і заглушених
із інших торців пластмасовими кришками 5. Перетворювач установлений через
прокладку, що поглинає 6 у рознімний пластмасовий корпус 7 з отворами для
вільного доступу рідинного заповнювача до п`єзоелементам. Роз`ємний корпус 7
скріплений двома кільцевими пружинами 3 і для підвищення міцності має по
зовнішньому контурі ребра жорсткості. Прокладка, що поглинає вібрацію,
забезпечує механічну компенсацію віброзавад. Товщина та міцність еластичної
прокладки вибирається, у залежності від коефіцієнта передачі вібрації
матеріалом[18].
Але суттєвий недолік параметричних випромінювачів - низький ККД, так
як інтенсивності хвиль частоти різності на перевищує 10 % інтенсивності хвиль
накачки, а також є потреба в значній потужності опромінення.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 16
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Рак 2 Рак 3 4 Ребра жорсткості
1
8
Р Р 5
ак ак
7
6
Рисунок 1.9 - П`єзоперетворювач ПДС-21
Основні технічні характеристики розглянутих ППТ приведені в таблиці 1.1.
Таблиця 1.1 - Параметри ППТ
Чутливіс Резонанс
Ємніст
ть, на
№ Тип Матеріал Форма ь,
У/(Н/м2)⋅ частота,
нФ
10-5 кГц
1 ПКС-4 ЦТС-19 Циліндр 7,5 13 1
2 ПСП-ТБ Титанат Подвійний 5 25 1,5
барію циліндр
3 ПКС-6 ЦТС-19 Два диски 30 10 1
4 ПК-19 ЦТС-25 Два диски 9 10 1
5 ПДС-13 ЦТС-19 Два 15 3 4,5
прямокутники
6 ПДС-7 ЦТС-19 Чотири диски 40 15 8
7 ПДС-21 ЦТС-19 Два циліндри 10 14 16
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 17
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Але суттєвий недолік параметричних випромінювачів - низький ККД, так
як інтенсивності хвиль частоти різності на перевищує 10 % інтенсивності хвиль
накачки, а також є потреба в значній потужності опромінення.
Застосування антенних решіток різних типів та зміна діаграми шляхом
внесення фазових зсувів при опроміненні також рішення, яке має значну вартість.
Вартість антени досягає 30 % вартості всієї системи, більш того значно
ускладнюється сама система та підвищуються вимоги до неї.
З цієї точки зору значний інтерес викликає метод полі локації [11], де
високий просторовий дозвіл досягається використанням багатократного
переопромінення хвильового пакету між акустичними неоднорідностями, які
можуть бути штучні або природні. В якості природних неоднорідностей можуть
бути використані розподіли середовищ: “вода-дно”, “вода-повітря [11]. Кількість
переопромінення залежить од потужності, стану поверхонь, імпедансів середовищ
та робочої частоти. Результуюча діаграма спрямованості має малий кут 3-5
градусів, що можна порівняти з кращими системами при найменших затратах.
Виходячи з всього вище сказаного в даному дипломному проекті буде
розглядатися модель акустичного реєстратора глибини, функціональна схема
якого та конструкція приладу, будуть проведені деякі експериментальні
дослідження, які підтверджують правильність теоретичних розрахунків.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 18
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
2 Обґрунтування технічного завдання
Гідроакустична апаратура є досить специфічною, тому вимоги,
характеристики та умови експлуатації в більшості випадків визначаються
замовником цієї апаратури в залежності від конкретної мети та задач, які буде
виконувати ця система.
Найбільш актуальним питанням є зменшення маси та габаритів РЕА, що
може бути досягнуто за рахунок втілення інтегральних схем, використання
спеціальних методів формування характеристик.
Для підвищення точності вимірювання шляхом введення відповідних
коректувань доцільно використання мікропроцесорних засобів, більш того це
дозволяє час безперервної роботи профілографа. Ємності пам'яті сучасних
мікроконтролерів достатньо для роботи тривалий час, а також систематизувати
отримані дані. Це дозволяє автоматизувати процес картографії.
Якщо вимірювання не потребують високої точності та має контролюючий
характер то доцільніше буде застосування обробки інформації за допомогою РС в
порівнянні із звичайними методами – цифрової індикації та реєстрації
самописцем.
Вимоги до пристроїв живлення вибираються в залежності від параметрів
бортової мережі – в нашому випадку U=12В постійного струму.
Вторинні живлячі ланцюги повинні забезпечити стабільну напругу
живлення для всіх електронних блоків системи, їх величина визначається
конкретними схемними рішеннями.
Динамічний діапазон системи 0-50 метрів вибирається з міркувань
використання апаратури. В річних умовах глибина в більшості випадків не
перевищує 50 метрів.
Вибір частоти заповнення зондуючих імпульсів визначається
компромісним рішенням між загасанням звука в воді, початковою діаграмою
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 19
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
спрямованості, точністю та дозволом системи. Враховуючи відсутність
задовільної математичної моделі розсіяного ехосигналу, при розрахунках
оптимальної частоти зручніше за все використовувати гідроакустичної системи
буде обмежено в першу чергу цим фактором, що не контролюється при розробці.
В роботі [9] отримана формула 2.1 для підрахунку оптимальної частоти в
залежності від дальності огляду R:
f опт.=48((1-0.5lgR)/R)⅔ (2.1)
З графіків залежності робочої частоти від дальності огляду при різних ε
визначаємо, що дальностям до 500 метрів відповідні частоти від 80 до 100 кГц, а
до 1500 метрів відповідно від 25 до 30 кГц [21]. Мінімальна вимірювальна
глибина Н min =0.5 м прийнята відповідно до вимог IMCO – міжнародної
консультативної організації із питань гідроакустики та визначається дозволом
системи та величиною ближньої зони. Характеристика спрямованості прийнята як
середня з існуючих аналогічних приладів.
Застосування простих методів розпізнавання сигналу та його цифрова
обробка зумовила вибір співвідношення сигнал/завада на вході ЕАП рівним 10 дб.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
20
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
3 Розробка структурної та електричної принципової схеми
3.1 Розробка структурної схеми
Як було вже вказано вище, з часу винаходу першого ехолокатора
структурні схеми цих пристроїв суттєво не змінювалися. Змінювалися лише
методики формування опромінення, побудови антен, змінювалися деякі
функціональні блоки.
Структурна схема найпростішого локатора приведено на рисунку 1.1.
Полілокаційний метод – порівняно новий підхід в гідроакустиці, щодо
формувань вузьких діаграм спрямованості. Як реалізація даного методу
припустимо розглядати [9].
Структурна схема цього винаходу приведена на рисунку 3.1
1 3 5 8 11
2 4 6 9 12
7 10 13
Рисунок 3.1 – Структурна схема ехолокатора
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
21
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Даний ехолокатор містить послідовно з`єднанні генератор тактових
імпульсів 1, антену 2, підсилювач 3, детектор 5, індикатор 7, приймально-
передавальну антену 2, яка з'єднана з виходом генератора 1. З метою підвищення
дозволяючої здатності по кутовій координаті в схему введені підсилювач-
обмежувач 8, перший 11 та другий 4 тригери, ключ 10, генератор лічильних
імпульсів 6, реверсивний лічильник 12, мультивібратор, що чекає 13, логічний
елемент “і” 9. Вихід дешифратора з’єднаний зі входом підсилювача-обмежувача
та першим входом ключа, вихід генератора тактових імпульсів з’єднаний зі
входами S тригерів, вихід першого тригера з’єднаний з першим входом логічного
елемента “І”, другим входом якого є вихід генератора лічильних імпульсів, вихід
логічного елемента “І” з’єднаний з входом С реверсивного лічильника, два інших
якого є виходами другого тригера, входом якого є вихід підсилювача обмежувача,
вихід реверсивного лічильника з’єднаний зі входом мультивібратора, що чекає та
входом R першого тригера, а вихід мультивібратора, що чекає з’єднаний зі другим
входом ключа, вихід якого є входом індикатора. Дана схема реалізує такий
алгоритм, що приймаються перший та другий ехосигнали, але реєструється
(виділяється) другий ехосигнал, що має більш високу здатність щодо кутового
дозволу.
В процесі проведеного патентного пошуку інших рішень, що реалізує
принцип полілокації не знайдено, тому дана схемне рішення прийнято за базове.
На його основі розроблено нову структурну схему, яка представлена на рисунку
3.2. Вона відрізняється тим, що для формування полілокаціонного режиму, з
метою підвищення кутової дозволяючої здатності введені реверсивний лічильник
3 зі змінним коефіцієнтом поділу. Це дозволяє виділити не другий, а N-ний
імпульс перевідбиття, схема формування відео імпульсів опромінення з
когерентними коливаннями за рахунок використання опорної частоти при
формуванні відеоімпульса за рахунок поділу в блоці 2 та формування тривалості в
блоці одновібратора 5. При цьому тригер забезпечує виділення саме N-го
імпульсу, а разом із лічильником 13 та генератором лічильних імпульсів 10
забезпечує вивід у цифровій формі глибини місця.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
22
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
1 4 7
G A
f 5 ~
8 11 ~
2 14
f/n OB ~
к 6 Q
R Q 9 12
& 15
д КП
3 S
# 13 16
Ст 10 000
≤0
G #
Рисунок 3.2 - Структурна схема полі локаційного профілографа
3.2 Аналіз структурних схем та вибір оптимальної
В базовій схемі визначення другого ехосигналу відбувається за рахунок
того, що запам’ятовується час проходження сигналу до дна та зворотно, після
чого відраховується саме такий проміжок часу і на вихід системи проходить
другий імпульс, який крім того нормується за часом за рахунок стробування
одновібратором.
Разом із тим, що схема, за рахунок такого алгоритму, має досить високу
захищеність від завад та підвищеною дозволяючою здатністю, вона має той
суттєвий недолік, що не враховується глибина антени. Якщо антена знаходиться
на поверхні, то це не принципово, а якщо вона занурена на деяку глибину, то має
місце така ситуація, як другий ехосигнал не попаде в строб, так як час
проходження від антени до дна і зворотно та од поверхні води до дна і зворотно
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. Підпис Дата 23
будуть відрізнятися на величину пропорційну глибині занурення антени. Крім
того, додаткова похибка може виникнути додатково при визначені глибини.
Ці недоліки, при збереженні переваг усунені в другій схемі. Це досягнуто
за рахунок того, що час проходження, пропорційне глибині, вимірюється між
передніми фронтами наступних ехосигналів.
Захист від завад при цьому декілька погіршується, проте, при відповідному
підборі постійної часу детектора, погіршення буде незначним. Крім того на
реєструючий пристрій виводиться не саме імпульс, а весь проміжок часу між
ехосигналами, що може бути корисним в деяких випадках та дає більше
інформації. Застосування когерентних коливань, що до опромінення дозволяє за
рахунок накопичення даних покращити співвідношення сигнал/завада, та
відповідно зменшити потужність при відповідному доповненні схеми.
Обидві схеми не враховують той факт, що з ростом глибини або номери
перевідбиття буде значно змінюватися рівень ехосигналу.
Для того, щоб рівень сигналу від одного об’єкта залишався незмінним,
незалежно від глибини та номера перевідбиття, необхідно ввести в схему часового
автоматичного регулювання підсилення, що забезпечує експоненційний закон
зростання коефіцієнта підсилення в часі. Більш того, сам метод полі локації
потребує вертикальної орієнтації антени, тому в схему приладу необхідно
вводити елементи механічної або електромеханічної стабілізації.
Також доцільно ввести в схему пристрій калібрування, що дозволяє
перевіряти параметри системи в часовій, амплітудній областях.
Для обробки отриманих даних, накопиченні результатів, внесення
необхідних коректувань в результат вимірювання можливо підключення до РС.
З урахуванням всього вище зазначеного схему рисунок 3.2 доповнено та
кінцевий варіант структурної схеми приведений на плакаті демонстративного
матеріалу.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. Підпис Дата 24
3.3 Опис роботи схеми
Функціонально схема складається з 6 блоків – блоку генератора імпульсів
збудження ПЕП, антенного блоку, приймача эхосигналів, пристрою обробки і
реєстрації, пристрою калібрування та блоку живлення.
Розглянемо роботу схеми по блоках.
СI
Рисунок 3.3 – Блок генератора імпульсів
Генератор опорної частоти 1 виробляє синусоїдальні коливання з
частотою, обумовленою робочою частотою антени f0. Тому що надалі ці
коливання будуть використовуватися при калібруванні, доцільно застосувати
генератор із кварцовою стабілізацією частоти, тому що поряд з дешевиною і
високою стабільністю, порядку 10-6 [38] вони задовольняють вимогам
мініатюрності та надійності.
Для формування когерентних імпульсів у блоці 2 дільника частоти
поділяється опорна частота на коефіцієнт N, що визначає надалі період
проходження імпульсів збудження; одновібратор 6, через проміжки часу,
обумовлені блоком 2, виробляє прямокутні імпульси з тривалістю τ , що
визначається тривалістю зондуючого імпульсу. У блоці змішувача прямокутний
імпульс заповнюється опорною частотою, у результаті чого отримуємо
радіоімпульс. Підсилюємо його до необхідної величини в блоці 9 підсилювача,
відкіля він подається на пристрій, що погодить, 17, який необхідний для
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк 25
№ докум. Підпис Дата
узгодження вихідного опору підсилювача з вхідним опором антени, після чого
сигнал надходить на антенний блок.
Сигнал з ОВ 6 використовується надалі як синхроімпульс для
синхронізації роботи схеми в часі.
Ключовий пристрій 22 забезпечує переключення системи в режими
прийом – випромінювання – калібрування.
Пристрій, що компенсує, 23 необхідний для компенсації ємнісної
складової ПЕП, після чого сигнал подається на антену 28 і випромінюється у
воду.
Пристрій механічної стабілізації 27 забезпечує суворо перпендикулярне
розташування осі випромінювання антени щодо поверхні води, незалежно від
положення бази.
Ехосигнал, що відбився, приймається антеною 28 і через блоки 22 і 23
подається на вхід приймача.
КП ЕАП
Рисунок 3.4 – Блоки антени і приймача
Блок 12 являє собою смуговий підсилювач, де виділяється сигнал з
частотою f0 і підсилюється за законом, що задається блоком ЧАРП, що
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 26
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
спрацьовує по приходу синхроімпульсу. При цьому ЧАРП повинна працювати за
законом, зворотному загасанню[38]:
U (f) = А0 е - βτ
sin (ϖt + γ 0+ kr ), (3.1)
r
де: k = 2π /λ - хвильове число;
λ - довжина хвилі;
A0 - початкова амплітуда;
r - відстань
ϖ = 2π f 0, де f 0 - опорна частота
γ 0 - початкова фаза сигналу.
У такий спосіб посилений сигнал надходить на детектор 12 і інтегратор 14,
де виділяється огинаюча ехосигналу. Далі сигнал подається на пристрій обробки і
реєстрації.
&
Т
dU 000
dt
ОВ
К БОI
Рисунок 3.5 – Блок цифрової обробки і реєстрації
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
27
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Так, як це - цифровий пристрій, те аналоговий сигнал довільної форми
необхідно пронормовати по амплітуді і тривалості, що виконується в блоці 15.
Тригер 18 спочатку синхроімпульсом встановлюється в стан, обумовлений
сигналом на входах D1-D4, при цьому на його виході нульовий стан.
Відрахувавши на виході одиницю, що по входу S встановлює в одиничний стан
тригер 21. З цього моменту починається відлік часу. Наступний ЕС по входу R
установить тригер у нульовий стан. На його виході сформується імпульс,
тривалість якого визначається різницею в часі приходів 2-х ЕС, а відповідно
глибині. Заповнюючи цей імпульс лічильними імпульсами з генератора 25 на
елементі “І” 24 ми можемо одержати кількість імпульсів, пропорційне частоті і
глибині. Виходячи з цього необхідно вибирати частоту імпульсів такою, щоб вона
була пропорційно половині швидкості звуку у воді, щоб кількість імпульсів була
зв'язана з глибиною десятковою залежністю з обліком того, що звук проходить
подвоєну відстань. Це виходить з формули H c ⋅ t
= , куди, якщо f = k c , то
2 2
H = f ⋅ t , де с – швидкість звуку у виді; t – проміжок часу; f – частота рахункових
імпульсів; Н – глибина місця; k – розрядність.
При цьому на вхід лічильника 26 надійде кількість імпульсів, точно
відповідній глибині, що виводиться на пристрій індикації 27. При необхідності
більш точної обробки інформації з уведенням коефіцієнтів і виправлень з обліком
температурі, тиску і т.д., можливе підключення ЕОМ 28, що буде зручно так само
в системних картографування.
Виділений за допомогою дифцепочки – блоки 22, 23, 19 задній фронт
імпульсу тригера 21 включає ОВ 16, що виробляє стробуючий імпульс, рівний
тривалості випромінюваного імпульсу, тому що основна корисна інформація
знаходиться саме в цьому проміжку часу. Отриманий строб-імпульс відкриває
ключ 17 і прийнятий ЕС проходить на пристрій, що реєструє, 20.
При необхідності система калибруєтся по амплітуді та за часом пристроєм
калібрування. При цьому пристрій відповідає по кількості номеру
калібрувального D1-D4 положення, а тригер 11 в одиничний стан. З виходу
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 28
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
тригера одиниця дозволяє проходження частоти заповнення на дільник 24 через
елемент “І” 18. При цьому коефіцієнт поділу блоку 18 вибирається таким, щоб
віртуальний сигнал створював мітку визначеної глибини, наприклад
максимальної. По отриманому з блоку 24 імпульсу запускається одновібратор 29
та виробляє імпульс рівний тривалості випромінюваного. У змішувачі 33 цей
сигнал заповнюється опорною частотою f0 та подається на аттенюатор 32, а далі
через ключ 22 на приймач. Після того, як реверсивний лічильник 11 відрахує
задану кількість імпульсів, він переведе тригер 10 у нульовий стан і процес
генерування тестових імпульсів припиниться.
З надходженням наступного синхроімпульсу вузол знову виробить серію
імпульсів, що імітують ЕС.
& f
f ОВ
m
Т dB
Рисунок 3.6 – Блок калібрування
На виході системи повинна бути індексація калибраційної глибини.
Використовуючи атенюатор можливо перевірити чутливість системи та дію
ЧАРП.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 29
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Живлення всіх елементів схеми здійснюється від енергонезалежного блоку
живлення – або від мережі ~ 220 В, 50 Гц, або від автономного блоку харчування
у виді хімічних джерел струму.
Повна структурна схема приведена на креслені СКРС-83ск.022.401.001Э2.
Епюри характерних сигналів, що пояснюють роботу схеми представлені на
плакаті СКРС-83ск.022.401.001ДМ.
3.4 Особливості формування полілокаційного режиму, просторово-
часові співвідношення
Як вже було зазначено, принцип дії полілокаційної системи складається у
формуванні вузьких ДС при переопроміненні хвильового пакета і використанні
великих хвильових розмірів поверхонь, що відбивають. На рисунку.1 приведена
геометрія вимірів у полілокаційному режимі. Джерело сигналу знаходиться на
носії. У крапці В розташована приймально-випромінююча антена, на відстані Н1
знаходиться розділ ”вода-повітря”. На відстані Н2 знаходиться розділ ”Вода-дно”.
У вихідному стані антена формує симетричну ДС[19]
2I (π sin γ )
R(γ ) = D , (3.2)
πD
⋅ sin γ
λ
де: 2 ⋅ I - функція Бесселя першого роду;
D - діаметр випромінюючої антени;
λ - довжина хвилі в рідині;
γ - поточний кут.
Ближня зона вибирається з умови (3.3):
L 2D2
δ 3 = , (3.3)
λ
де: D - еквівалентна апертура антени;
λ - довжина хвилі в рідині.
Вторинні діаграми спрямованості формуються освітленими ділянками
неоднорідностей, а саме: на розділі вода-дно R(γ 2 ) антеною з діаметром апертури
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 30
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
АС; R(γ 3 ) - на розділі вода-повітря, сформована антеною з апертурою ЕМ; R(γ ) -
NK; R(γ 5 ) - ОР.
Кількість перевідбить обмежена загасанням звуку у воді, та в остаточному
підсумку випромінюваною потужністю і чутливістю
перетворювача.
O E F M P ρ1c1
H1 B ρ2c2
z
x
H y
2
A N D K C ρ3c3
Рисунок 3.7 – Геометрія вимірів
Пройшовши відстань Н2 хвильовий пакет висвітлює окружність діаметром
АС, що є перевипромінюючою поверхнею і формує індикатрису розсіювання
R(γ 2 ) :
2I π ⋅ AC
1 sinγ
R(γ ) = λ
2 , (3.4)
πAC sinγ
λ
де АС – діаметр поверхні, що перевідбиває.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 31
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Далі процес повторюється, коливання проходять відстань Н1+Н2,
висвітлюють окружність діаметром ЕМ і формується індикатриса розсіювання
R(γ 3 ) (3.5):
2I π ⋅ ЕМ
1 sinγ
R(γ λ
3 ) = π ЕМ , (3.5)
⋅ sinγ
λ
Наступне перевідображення формується антеною з діаметром NК і
апертурою R(γ 4 ) :
2I π ⋅ NK
1 sinγ
R(γ ) = λ
4 π NK , (3.6)
⋅ sinγ
λ
При цьому R(γ 1) R(γ 3 ); а R(γ 2 ) R(γ 4 ) , тобто очевидне збільшення
апертури і звуження діаграми спрямованості на розділі вода-повітря.
Однак необхідно враховувати, що на тривалість імпульсу крім добротності
системи впливає апертура антени і як наслідок, різниця ходу променів у ДС, тому
що з ростом кількості перевідбить затягування заднього фронту стає істотним
(Рисунок 3.8).
Крім того необхідно враховувати, що при відбитті від акустично м'якої
межі вода-повітря фаза відбитого сигналу змінюється на півперіоду (змінює фазу
на 1800).
При цьому розрахункові формули за часом будуть мати вигляд:
Час приходу переднього фронту першого імпульсу t1:
t 2H
1 =
2 +ϕ2 (3.7)
c
де: Н2 - відстань від антени до дна;
с - швидкість звуку у воді;
ϕ2 - фазовий зсув при відбитті від дна.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
32
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
33 1EС 2 EС 33
A1 A2
t
t1
t2
t3
t4
Tсл
Рисунок 3.8 – Епюри сигналів
ЗІ - зондуючий імпульс;
1ЕС, 2 ЕС - перший та другий ехосигнали;
А1, А2, А3 - амплітуди сигналів.
Час приходу заднього фронту першого імпульсу t2[13]:
t 2QT 2(τ AB − BD)
2 = i + 0 + + t1 , (3.8)
c
де: τ і - тривалість імпульсу, що формується електронною схемою;
Q - добротність системи;
Т0 - період заповнюючих імпульсів;
(АВ-BD) - різниця ходу променів у ДC.
Час надходження переднього фронту другого імпульсу t3[13]:
t 2 ⋅ (2H2 + H )
3 =
1 +ϕВ + 2ϕ2 , (3.9)
c
де: ϕВ - фазовий зсув при відбитті від розділу вода-повітря;
Н1 - відстань від антени до поверхні.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. 33
Арк № докум. Підпис Дата
Час приходу заднього фронту другого імпульсу t4[13]:
t4 = τ i + 2QT 2∆L
0 + + t3 , (3.10)
c
де: ΔL - сумарна різниця пробігу променів у ДС.
Загальна формула приймає вид:
t 2(NH2 + (N −1)H1)
пф = + Nϕ2 + (N −1)ϕВ , (3.11)
c
де: tпф - час приходу переднього фронту імпульсу;
N - номер перевидбиття.
t t τ 2∆L
зф = пф + s + , (3.12)
c
де: tзф - час приходу заднього фронту.
Як видно з ростом перевидбиття різниця пробігу променів у ДС
складається й імпульс розтягується в часі. Тому що в загальному випадку ця
різниця є функція від ДС і глибини місця, то в залежності від конкретних умов
необхідно обмежувати початкову ДС так, щоб задній фронт попереднього
імпульсу не злився з переднім фронтом наступного, тобто
tпфN − tзф(N −1)⟩0 .
Період проходження так само визначається максимальною глибиною і
затримками при перевідбиттях. Розрахункова формула має вигляд:
T 2(NH2 + (N −1)H1)
сл = +τ і + 2QT 2∆L
0 + + Nϕ2 + (N −1)ϕВ (3.13)
c c
Розрахунок розглянутих параметрів у наступному розділі “Розрахунок
електроакустичного перетворювача”.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. Підпис Дата 34
3.5 Розробка принципової схеми блока збору та перетворення інформації
Обґрунтування елементної бази
В теперішній час при створенні систем збору, обробки даних, контролю та
керування в якості з’єднуючого ланцюга між множиною різноманітних датчиків
та виконавчим механізмом використовується єдина мережа. В такій мережі
кожний вузол приймає усі передані повідомлення та за допомогою програмного
або апаратного фільтра визначає чи призначено передане повідомлення саме для
нього. Таким чином досягається інформаційна маршрутизація. В такій мережі не
існує ніякої спеціальної інформації стосовно конфігурації мережі, наприклад
адреси вузла мережі. Тому до мережі можливо приєднати нові вузли без зміни
програмного забезпечення та апаратних засобів любого існуючого в мережі вузла.
Склад повідомлення визначається ідентифікатором, який вказує не адресу,
а описує дані, що дозволяє всім вузлам в мережі вирішити, як реагувати на дане
повідомлення. 11-розрядний (2.0 Port A) ідентифікатор визначає також пріоритет
повідомлення у відношення доступу до шини, що для високо приоритетних
повідомлень гарантує малий час очікування доступу до шини в разі її високої
завантаженості. В мережі можливо передавати від 211 (11-розрядний
ідентифікатор) до 229 різних повідомлень.
В разі незайнятості шини повідомлення може бути ініціалізоване любим
вузлом системи, тобто кожний пристрій в мережі може бути ведучим, та тим
самим передавати інформацію любому іншому вузлу в мережі.
Арбітраж CAN-шини засновано на заставах неруйнівного суперництва.
Застосований принцип гарантує, що в будь-якому випадку найбільш приоритетне
повідомлення завжди буде передане першим, та при цьому забезпечено найбільш
ефективне використання шини.
При створенні розподілених мереж керування різноманітними об’єктами,
як правило застосовують послідовний інтерфейс Сімейство мікросхем
ADu816[27] — це черговий етап розвитку технології збору та перетворення
аналогової інформації в цифрову і навпаки. Мікроконтролери, що випускаються
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 35
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
фірмою Analog Devices являють собою мініатюрну систему збору та перетворення
інформації. Унікальні можливості високоточного аналогово цифрового
перетворення, контролера для попередньої обробки інформації, сумісництво зі
стандартом ІЕЕЕ 1451.2, низьке енергоспоживання визначають галузь
використання[27].
В основі ідеї, успішно реалізованою фірмою Analog Devices, лежить
доповнення кристала стандартного, з високою продуктивністю, АЦП
можливостями, що роблять зручним процес подальшої обробки інформації без
погіршення параметрів вимірюваних аналогових сигналів. Для цього на кристал
АЦП додана цифрова частина, що не впливає на роботу і продуктивність АЦП і
складається зі стандартного мікроконтролера й енергонезалежної,
програмувальної пам'яті (FLASH).
Мікроконтролер ADuC816[27] є закінченим пре процесором
інтелектуального датчика. До складу мікро конвертера входять два сигма-дельта
АЦП з високим дозволом, 8-розрядний мікропроцесорний пристрій керування,
вмонтовану неруйнівну FLESH/ЕЕ пам'ять програм/даних. Цей пристрій приймає
сигнали низького рівня безпосередньо з первинного перетворювача.
Крім двох незалежних АЦП (основного та додаткового) в складі є датчик
температури та підсилювач PGA (що дозволяє виконувати безпосередні
вимірювання сигналів низького рівня). АЦП з вмонтованим цифровим фільтром
призначений для вимірювання в широкому динамічному діапазоні. Частота
(поток) даних на виході АЦП програмується, та вихідний дозвіл буде змінюватися
в залежності від встановлених підсилення та частоти[27].
Структура мікросхеми сімейства представлена на рисунку 4.1 [27].
Зупинимося докладніше на трьох відмінних рисах даного мікроконтролера в серії:
двоканальному сігма-дельта АЦП, тактовому генераторі, що реалізований на
стандартному “годинниковому” кварцовому резонаторі на 32,768 кГц і режимах
програмування (модифікації) внутрішньої FLASH/EE пам'яті.
Мікроконтролер має два канали 16-розрядних сігма-дельта АЦП —
основної і додатковий. Розглянемо функціональні особливості основного каналу.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 36
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
При вхідному сигналі з амплітудою ±2,56 В та частоті відновлення 20 Гц цей
канал АЦП має реальний дозвіл 16 розрядів і 13 розрядів при вхідному сигналі
±20 мВ при тій же частоті відновлення[27].
До АЦП основного каналу можна підключити три диференціальних входи,
при цьому мультиплексор може бути настроєний для наступної конфігурації
сигналів на входах: Авх1/Авх2, або Авх3/Авх4, або Авх3/Авх2. Вхідний буфер
основного каналу необхідний для підвищення вхідного опору. Він дозволяє
П0,0 -- П0,7 П1,0 -- П1,7 П2,0 -- П2,7 П3,0 -- П3,7
Aвх1 Регістр кер-я
Aвх2 М-сор АЦП та логіка
калібровки Регістр
кер-ня 12-разр.
Буфер Програм. ЦАПО ЦАП
підсилювач Допом.канал Регістр кер-я ЦАП
Aвх3 16-разр. АЦП та логіка Буфер
Aвх4 М-сор калібровки
T0[П3,4]
Aвх5
Джерело МІКРОКОНТРОЛЕР(ЯДРО та ПЕРИФЕРІЯ) T1[П3,5]
Датч. струму Мікроконтролер Монітор живлення 3х16-разр.таймера T2[П1,0]
темп. с-ва ВО51 Лічильника T2EX[1,1]
200 мА 200 мА К байт флеш- Сторожовий 2-пров. INT0[3,2]
ППЗУ програм таймер 2С SPI-порт
IEXT1 INT1[3,3]
IEXT2 640 байт флеш- Послідовний
Програм. ППЗП даних завантажник Мультіплексор
ALE
дільник
REFIN+ частоти
Детектор 256 байт ОЗП Асин. PSEN
REFIN-- користувача Порт
напруги Тестовий EA
генератор
і
ФАПЧ RESET
AVDD AG ND XTL1 XTL2 DVпит DG ND RxDTxD SCLO C K M O SI M ISO SS
[П3,1] [П3,0] [SDATA] [П3,3]
Рисунок 4.1 - Структура мікросхеми сімейства ADu816
підключати АЦП безпосередньо до тензорезистивним датчиків, наприклад до
датчиків механічних и, а також до резистивним датчиків температури. Високий
опір входів основного каналу дозволяє використовувати RC-ланцюг у вхідних
ланцюгах, що може придатися при вирішенні задач придушення шумів і
фільтрації радіоелектронних перешкод. Особливістю мікросхеми є наявність двох
убудованих джерел струму по 100 на, підключених до входу буфера. Вони можуть
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 37
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
бути використані для «прив'язки до землі» високоомних входів, а також для
перевірки працездатності аналогових входів до початку оцифровки. Після буфера
сигнал попадає на програмувальний підсилювач, що дозволяє програмно
вибирати вісім діапазонів вхідних напруг: для однополярного входу діапазон
зміни напруги від 0 до 2,56 В, для двополярного — від ±20 мВ до ±2,56 В[27].
Структура додаткового каналу АЦП відрізняється від основного
відсутністю буфера і програмувального підсилювача. Тому вхідний сигнал
відразу подається на сігма-дельта модулятор. Зовнішній вхідний сигнал
прикладається відносно «землі», має фіксований діапазон напруги від 0 до 2,5 В
та може бути поданий з одного з трьох зовнішніх входів Авх3/вх5. Значення
параметрів оцифровки додаткового каналу АЦП, таких як реальний дозвіл,
інтегральна не лінійність, температурний дрейф коефіцієнта підсилення, величина
придушення перешкод, наведених 50/60 Гц мережею живлення на вхідний
аналоговий сигнал і на сигнал опорної напруги, придушення пульсацій джерела
живлення, такі ж, як в основному каналі. Перетворювач додаткового каналу
уступає основному каналові по температурному дрейфу нуля й інтегральній
помилці вимірів[27].
Ядро являє собою мікро контролер 8052, тому система команд сумісна з
набором команд 8051. Машинний цикл складається з 12 циклів обраної робочої
частоти. На кристалі міститься 8 кб неруйнівної FLESH/ЕЕ пам'яті програм, 640
байт FLESH/ЕЕ пам'яті даних та 256 байт оперативної пам'яті даних з довільним
доступом (RAM) [27].
Як і у всіх мікросхемах сімейства ADu8xx, на кристалі ADu816 мається
убудований датчик температури, що може бути використаний для оперативного
виміру температури кристала й внесення відповідних програмних корекцій у
зроблені виміри. Для живлення зовнішніх датчиків, наприклад на основі
резистивного моста, ADu816 має два джерела постійного струму по 200 мкА
кожний. Програмним шляхом можна керувати подачею струму на виходи IEXT1
і/або IEXT2 від якого-небудь одного джерела, або від двох джерел разом (тоді
струм на одному виході буде 400 мкА).
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 38
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Джерело опорної напруги (ДОН) може використовуватися або внутрішній,
напругою 1,25 В та температурною стабільністю 100 ppm/°C, або зовнішній,
напругою, що не перевищує напругу джерела живлення. Для підключення до
АЦП зовнішнього ДОН можуть бути задіяні диференціальні високоомні входи
REFIN+ і REFIN–. Стан цих входів контролює вмонтований у ADu816 детектор
опорної напруги. У деяких випадках, якщо необхідно задіяти всю здатність, що
дозволяє, АЦП, використання внутрішнього джерела менш переважно, тому що
він може мати меншу температурну стабільність і меншу абсолютну величину
опорної напруги (1,25 В), порівняно із зовнішнім.
ADu816 поставляються із заводським калібруванням 5 В/25 °С.
Калібровані коефіцієнти зберігаються в Flash/EE і при кожному вмиканні джерела
живлення мікросхеми листуються у відповідні регістри. У більшості додатків цих
коефіцієнтів досить для роботи системи, однак якщо мікроконтролер
використовується при напрузі живлення 3 В та при температурі корпуса, що
значно відрізняється від 25 °С, необхідне калібрування користувача[27].
В складі мікро конвертера є додаткові аналогові елементи: 12-розрядний
ЦАП, джерела струму, монітор джерела живлення. Вмонтована цифрова
периферія кристалу вміщує сторожевий таймер, лічильник часового інтервалу,
три таймера/лічильника та послідовні порти.
Заводський ПЗП підтримує режими послідовного завантаження та
налагодження (за допомогою UART), а також режим емуляції за допомогою
єдиного контакту ЕА/.
Пристрій працює від джерела напруги від +3 В до +5 В. При цьому
споживча потужність складає менше 10 мВт (при напрузі живлення +3 В).
Розробка принципової схеми
Тактовий генератор ADu816. У мікроконтролері ADu816 у якості
зовнішнього тактового генератора дуже вдало застосований недорогий і в той же
час дуже розповсюджений кварцовий резонатор на 32,768 кГц. Кварцовий
резонатор підключається до контактів XTL1 і XTL2 мікроконтролера. Схема
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
39
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
підключення його максимально проста і не містить додаткових компонентів, але
це не означає, що на сігма-дельта модулятори в каналах АЦП і на ядро
убудованого мікроконтролера надходить нестабільний тактовий сигнал.
Мікроконтролер ADu816 містить блок PLL (Phase Locked Loop), що складається з
помножувача частоти й системи ФАПЧ, що стабілізує частоту сигналу після її
множення в сотні разів. Застосування одного такого резонатора, з одного боку,
полегшує реалізацію пристроїв на базі ADu816, а з іншого боку, забезпечує
необхідну синхронізацію роботи АЦП і ядра 8051[27].
Отже, сигнал від зовнішнього тактового генератора надходить на блок
помножувача з ФАПЧ, що множить частоту сигналу в 384 рази для одержання
стабільної частоти 12,582912 Мгц. Частота цього сигналу далі поділяється
програмно на задане, що кратне двом, число раз, і надходить на ядро 8051 у якості
тактового сигналу. Таким чином, у задачах, де не потрібна максимальна
швидкість роботи мікроконтролера, можна знизити споживаний пристроєм струм
шляхом зміни тактової частоти. Діапазон регулювання частоти знаходиться в
межах від 98,304 кГц до 12,582912 МГц.
Програмування внутрішньої пам'яті мікроконтролера. ADu816 містить
енергонезалежну пам'ять Flash/EE для збереження додатків користувача.
Програмування (зміна вмісту) цієї пам'яті може здійснюватися в двох режимах —
рівнобіжному й послідовному. У рівнобіжному режимі доступ до внутрішньої
пам'яті мікросхеми здійснюється через зовнішній рівнобіжний порт (порт 3). Для
нормальної роботи в цьому режимі необхідні стандартні апаратні засоби
(програматори), що випускаються третіми фірмами, і підтримуючі мікросхеми
сімейства ADu8xx. У послідовному режимі доступ до внутрішньої пам'яті
здійснюється через стандартний асинхронний послідовний порт за допомогою
нескладного кабелю. Послідовний режим програмування мікросхем ADu816
нічим не відрізняється від відповідних режимів мікросхем ADu812 і ADu824 і дає
можливість користувачеві програмувати мікроконтролер прямо «у системі».
Обидва режими програмування підтримують стандартні режими захисту від
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 40
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
несанкціонованого копіювання /читання/, модифікації вмісту внутрішньої
пам'яті[28-29].
Рисунок 4.2 - Типова конфігурація системи збору даних, побудованої на
мікросхемі ADu816
Типова конфігурація системи збору даних, побудованої на мікросхемі
ADu816, приведена на рисунку 2. Мікросхема ADM810 (утім, може бути
застосований будь-який генератор сигналу RESET) призначена для правильного
формування сигналу «скидання» по вмиканню живлення, ADM202 (знову ж може
бути застосований будь-який перетворювач рівня сигналів) — для формування
рівнів сигналу інтерфейсу RS-232 при підключенні до COM-порту комп'ютера
через стандартний роз’єм. Для вмикання мікросхеми в режим програмування в
системі необхідно «посадити на землю» через резистор 1 кОм вивід 41 (PSEN)
шляхом замикання контактів відповідного рознімання на платі і включити на PC
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 41
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
програма-завантажник, поставляється безкоштовно в комплекті стандартних
інструментальних засобів для мікроконтролерів. Опис виводів ADuC 816
приведено в [27]
Вимоги до джерела напруги [27]: AVDD, DVDD – 4.75-5.25 В.
Струм споживання Імакс. при нормальних умовах складає:
При CLK=1.57 МГц та напрузі живлення 4.75-5.25 В:
DVDD= 4 мА;
AVDD=170 мкА.
При CLK=12.58 МГц та напрузі живлення 4.75-5.25 В:
DVDD= 15 мА;
AVDD=170 мкА.
В режимі зниженого енергоспоживання струм споживання 20 мкА.
Живлення схеми здійснюється за допомогою інтегрованого стабілізатора
напруги типу 78L05. Стабілізатор має такі характеристики:
Вихідна напруга, В.....................................................5;
Діапазон вхідної напруги, В......................................7.2-30;
Максимальний вихідний струм, мА.........................100.
Для реалізації програмного / апаратного сброса схеми використана схема
ADM809. Дана схема розроблена фірмою Аnalog Devices для використання
безпосередньо з мікроконверторами ADuC8xx. Це обумовлено необхідністю
наявності активного рівня на вході RESET протягом 24 циклів тактового
генератора. Схема ADM809 формує на виході необхідну тривалість імпульсу
сбросу. Імпульс на вхід RESET ADuC816 подається за допомогою ключа на
транзисторі VT1 (див. креслення ЗП82.004.401.001Э3).
Схему також можливо привести в початкове положення також
натисканням на кнопку SB3. При цьому напруга на виводі 3 DA2 впаде до рівня
логічного “0”, що приведе до її активації.
Для відображення режимів роботи використовуються світлодіоди типу
АЛ307: VD2 (червоний) – режим “display” та VD1 (зелений) – “мережа
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 42
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
живлення”. Послідовно з світлодіодом потрібно включити резистор, опір якого
розраховується за формулою (4.1) [27]:
R U
= VDD −UVD , (4.1)
IVD.
де UVDD - напруга живлення, В;
UVD - ном. напруга випромінення, В;
IVD - струм ном. випромінення, А.
За ВАХ світлодіода визначаємо IVD =5 мА, UVD =2.2 В, тоді
R= 2.8/0.005=560 Ом
Входи REFIN(+), REFIN(-) є диференційними входами мікроконтролера.
Діапазон синфазних напруг на ціх входах знаходиться в межах від AGND до
AVDD. Номінальна робоча напруга на входах REFIN(+), REFIN(-) складає 2.5 В,
при чому біти дозволу ДОН повинні бути встановлені для основного та
додаткового АЦП відповідно в ADC0CON та/або ADC1CON SFR.
В разі використання внутрішнього джерела напруги всі діапазони вхідних
напруг зменшаться рівно в два рази (Uоп=1.25 В). Це приводить до значного
зменшення дозволу системи. Тому рекомендується застосовувати зовнішній ДОН.
З представлених вибраний ДОН AD780.
До складу ADuC816 входять два джерела постійного струму 200 мкА.
Обидва вони подають струм з AVDD на вивід 3 (4). Їх можливо зконфігурувати як
окремі струми по 200 мкА на обидва виводи мікросхеми, або об'єднати в один
струм 400 мкА та подати на любий з виводів. Ці струми можливо
використовувати для збудження резистивного моста або резистивного датчика
температури (RTD1). Датчик приєднується за допомогою перемикача SA1, що
призначений для проведення програмування, налагоджування, калібрування
мікроконтролера. Для активації датчика температури в положення ON необхідно
перевести: S1-1, S1-2, S1-3, S1-4, S1-5; в положенні OFF - S1-6, S1-7.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 43
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Аналогові входи ADuC816 можуть приймати як уніполярні, так і
двополюсні вхідні сигнали.
Наявність діапазонів для обробки не означає подачу на вхід від'ємного
відносно системної шини AGND. Вхідні сигнали на вході AIN(+) є по
відношенню до напруги на вході AIN(-).
Діапазон абсолютної вхідної напруги основного АЦП обмежено
величинами від AGND+100 мВ до AVDD-100 мВ. Вхід буфера основного АЦП
подається на вмонтований підсилювач з програмуючим коефіцієнтом підсилення
(PGA). Діапазон підсилення PGA може бути запрограмований на вісім під
діапазонів одно полярних та біполярних вхідних сигналів. Діапазон PGA
встановлюється за допомогою біту вибору діапазону в ADC0CON SFR. При
встановленому біті зовнішнього ДОН та його величині 2.5 В під діапазонами
вхідної одно полярної напруги будуть:
0 мВ - +20 мВ; 0 мВ - +320 мВ;
0 мВ - +40 мВ; 0 мВ - +640 мВ;
0 мВ - +80 мВ; 0 мВ - +1.28 В;
0 мВ - +160 мВ; 0 В- +2.56 В
Під діапазон для біполярних сигналів: ±20 мВ, ±40 мВ, ±80 мВ, ±160 мВ,
±320 мВ, ±640 мВ, ±1.28 В, ±2.56 В. Приведені під діапазони є номинальними, що
повинні бути наявними на вході RGA. Типова специфікація узгодження
діапазонів 2 мкВ визначає, що калібрування можливо проводити що до єдиного
діапазону підсилення, та немає необхідності повторення при заміні діапазону[27].
Зовнішні підключення плати мікро конвертера виконуються за допомогою
стандартних роз’ємів. Живлення – за допомогою роз’єму РСВ (діаметр виводу
2 мм).
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 44
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
4 Розрахунок основних елементів пристрою
4.1 Визначення параметрів електроакустичного перетворювача
Для розрахунку параметрів електроакустичного тракту системи необхідне
знання параметрів ЕАП; крім того параметри ЕАП у значній мірі впливають на
енергетичні параметри і точність системи. Безпосередній розрахунок по формулах
ЕАП, як правило значно відрізняється від значень отриманих експериментально,
тому що занадто багато впливає на результат розрахунку і відношення кожного з
них веде до неточностей.
У зв'язку з цим, у ході підготовки дипломного проекту були проведені
експериментальні дослідження конкретного ЕАП – п'єзоелектричної пластини
розмірами Ø40х4,5мм. При цьому метою було одержання таких параметрів як:
резонансна частота, діапазон робочих частот, коефіцієнт корисної дії, повний
електричний опір, електрична ємність на робочій частоті, добротність.
Як відомо [33, с. 211) повний опір або вхідний імпеданс п'єзоелектричного
перетворення являє собою в загальному випадку рівнобіжне з'єднання ємності С
ПЕП, опору R діелектричних втрат і приведеного динамічного імпендансу, що
враховує механічної сторони реакцію на електричну (приведені механічні опори).
При цьому на частоті ПЕП буде приблизно дорівнює ємнісної складової, тому що
механічні опори прагнуть до нуля, а діелектричні втрати R⟨⟨X c .
Знаючи струм у ланцюги і спадання напруги на ПЕП можна визначити
повний вхідний опір при послідовному включенні. Струми, що протікають, малі і
їхній вимір утруднений, тому в досліджувану схему послідовно з резонатором
включаємо активний опір Rд , величина якого не змінюється з частотою. Якщо
підтримувати величину збудливої напруги постійної, то вимірюючи напругу на
Rд ми можемо визначити струм у ланцюзі, а знаючи струм, Uвх та спад напруги на
Rд , можливо визначити повний опір ПЕП. Еквівалентна схема лабораторної
установки приведена на рисунку 4.1.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
45
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
ПЕП Rд
Xc R Zм
Uвх Zвх Uд
Рисунок 4.1 – Схема лабораторної установки
За законом Ома струм, що протікає у ланцюзі[13]:
I U
= д (4.1)
Rд
тоді виходячи з того, що
U z =Uвх −Uд (4.2)
одержали:
Z U z
вх = , (4.3)
I
де U z - спадання напруги на ПЕП.
У нашому випадку Uвх = const =2 В; Rд = const =10 Ом.
Результати вимірів і розрахунків зводимо в таблицю 4.1. крім того на
рисунку 4.2 представлена АЧХ перетворювача. Як видно з рисунку частота
резонансу у воді трохи нижче, ніж у повітрі, а спадання напруги, відповідно і
струм – вище. Це обумовлено тим, що при випромінюванні у воду до механічної
маси резонатора приєднується маса води.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 46
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Таблиця 4.1 – Результати вимірів та розрахунків
повітря вода
f, кГц Uд , В Z, Ом Uд , В Z, Ом
25 0,012 1657 0,012 1657
30 0,012 1528 0,013 1528
35 0,015 1323 0,025 790
40 0,018 1101 0,03 657
45 0,02 990 0,04 490
46 0,032 615 0,055 354
47 0,05 390 0,065 298
47,5 0,058 335 0,07 276
48 0,062 313 0,075 257
48,5 0,10 190 0,065 298
49 0,072 268 0,05 390
49,5 0,032 615 0,037 531
50 0,01 1990 0,025 790
51 0,005 3990 0,026 759
52 0,008 2490 0,027 731
53 0,01 1990 0,028 704
55 0,013 1528 0,029 680
60 0,02 990 0,03 657
По визначенню добротність – це кількісна характеристика резонансних
властивостей системи, що вказує наскільки при однаковій силі, що змушує,
амплітуда змушених коливань при резонансі перевищує амплітуду змушених
коливань поза резонансом. Чисельно вона може бути представлена як відношення
резонансної частоти до ширини смуги частот, на границях якої енергія системи в
два рази менше енергії на частоті резонансу (4.4), тобто[13]:
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк 47
№ докум. Підпис Дата
Q f
= o , (4.4)
∆f
де: Q – добротність
Відповідно до проведених вимірів
fo =48.5 кГц; ∆f =0.8 кГц
тоді Q=60 для повітря;
fo =48 кГц; ∆f =3.15 кГц; Q=15 для води
Розрахунок електроакустичного ККД проводимо відповідно до методики,
викладеної в [31].
Електроакустичний ККД виражається відношенням акустичної потужності
до електричної[13]:
η Р
еа =
а , (4.5)
Ре
де:ηеа - електроакустичний ККД;
Ра , Ре - акустична й електрична потужності відповідно.
Величина ηеа може бути визначена по ширині резонансних кривих у
повітрі. Для цього на рисунку 4.2 проводимо пряму через двох крапок для АЧХ
води. Одна крапка відповідає початкові координат, а друга середньої частини
висхідної кривої f = 0.5 fo , назвемо її точка К. Це лінія буде відповідати лінії
втрат, назвемо її KL. Тоді для відповідних величин ККД можна записати[13]
η АС
ем = , (4.6)
АЕ
η ВD − AC ∆f − ∆f
ам = = 2 , (4.7)
BD ∆f1
де:ηем - електромеханічний ККД;
ηам - акустико-механічний ККД.
Тоді електроакустичний ККД
АС ∆f − ∆f
ηеа = ⋅ 21 (4.8)
АЕ ∆f1
ηе.а. =0.53·0.746=0.4
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. Підпис 48
Дата
Таким чином, електроакустичний ККД складає 40%.
UR , B
B
0,1
0,09
0,08 A
0,07
0,06
0,05 L
0,04
0,03 K
0,02
0,01
40 50 60 f, кГц
Рисунок 5.2 - АЧХ п’єзоперетворювача
UR , B
B
0,1
0,09 f2
0,08 A
0,07 f1
0,06
0,05
0,04 L
K C D
0,03
0,02
0,01
E F
46 47 48 49 50 51 52 f, кГц
Рисунок 5.3 - До розрахунку параметрів ПЕП
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 49
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
4.2 Розрахунок загальних та динамічних параметрів
Розрахунок діаграми спрямованості та дозволу системи
Однією з основних характеристик гідроакустичних приладів є
спрямованість, тобто просторовий розподіл акустичного поля. Вона впливає на
величину тиску, яке можна одержати в деякій крапці поля при заданій акустичній
потужності, на рівень перешкод, сприйманих приймачем, на здатність системи,
що дозволяє.
Теорія спрямованості вирішує задачу перебування просторового розподілу
тисків або інтенсивності, створюваних випромінювачем у необмеженому
середовищі, і в залежності ЕРС на виході приймача від напрямку приходу плоскої
падаючої хвилі. У результаті рішення виходить так називана характеристика
спрямованості акустичної антени. Відповідно до теореми взаємності
спрямованість антени в режимах випромінювання й прийому однакова [22, с. 58].
Спрямованість є характеристика далекого поля. Вона визначається на
відстані r ≥ 2D²/λ , де D – найбільший лінійний розмір випромінювача,
λ – довжина хвилі в середовищі. У цій зоні різниці фаз прийнятих елементарних
хвиль визначаються хвильовими розмірами D/λ діафрагми і кутових координат
крапки спостереження і не залежать від відстані r.
Якщо в напрямку, обумовленому кутами – азимутальним ψо та кутом місця
θо випромінювач створює тиск з амплітудою ρ (r, θо, ψо), а в рівновіддаленій
крапці (r, θ, ψ ) – тиск з амплітудою ρ (r, θ , ψ), то відношення (4.9)
p(r,θ ,ψ )
( ) = R(θ ,ψ ) (4.9)
p r,θ0 ,ψ 0
теж не залежить від r і є функцією кутових координат. Функція R (θ , ψ), що
оцінює випромінювання в будь-якому напрямку щодо деякого фіксованого на
рівній відстані, є аналітичним вираженням характеристики спрямованості [22, с.
60].
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
50
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
y
Ρ(r,Θ,ψ)
Ρ(r,Θ0,ψ0)
Ψ
Ψ0
Θ
Θ0 x
z
Рисунок 4.4 - Геометрія вимірів
Функція R (θ , ψ) у геометричному змісті являє собою деяку поверхню,
називану просторовою діаграмою спрямованості. Перетин просторової ДС
площиною, що проходить через акустичну вісь, дає ДС у цій площині.
Коли поле антени має осьову симетрію, акустична вісь є віссю обертання
ДС то така ДС називається вісесиметричной. Зокрема такою ДС володіє і наш
круглий поршневий перетворювач [ 22, с.65 ]. Сформовані ДС нашої антени вже
розглядалися попередньо. Розрахуємо тепер їхні чисельні значення відповідно до
викладеного там методики. У зв'язку з великою кількістю обчислень для
розрахунку ДС застосовуємо прикладну програму МСАD для ЕОМ. Хід
розрахунку і результати у виді роздруківок приводяться в додатку Г.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. 51
Арк № докум. Підпис Дата
У ході розрахунку первинну діаграму спрямованості визначаємо згідно
[18] , з обліком того, що ПЕП працює на радіальній моді коливань і його ДС
визначається по формулі (4.10):
R( ) b 2 I1(x(γ )) 1− b 8 I2 (2, x(γ ))γ = ⋅ ( ) + ⋅ 2 ( ) (4.10)
x γ 2 x γ
де I1, I2 -функція Бесселя 1-го і 2-го роду;
x(γ) = k·d·sin(γ), де k – хвильове число k = 2π/γ;
d – діаметр перетворювача;
γ – поточний кут;
b- коефіцієнт.
Ця формула (6.2) враховує, що амплітуда розподілена нерівномірно по
поверхні випромінювання, тому застосовуємо її і для розрахунку наступних
діаграм.
ДС апроксимуємо за рівнем 0,707, що відповідає половині потужності.
Пляма засвічення визначаємо з геометрії вимірів :
D = 2 · H · tg γ , (4.11)
де : H – глибина місця, м;
γ – кут розгортання ДС за рівнем 0,707 .
Результати розрахунків вносимо до таблиці 4.2
Таблиця 4.2 – Результати розрахунків
№п/п Хід променів R (2 γ), ° D , м
1 Униз 25 22,169
2 Нагору 0,09 0,079
3 Униз 12,6 11,04
4 Нагору 0,18 0,16
5 Униз 6,4 5,6
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 52
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Розрахунок дозволу по променю
Крім дозволу по промені, система характеризується ще і дозволом по
дальності або по промені. Цей дозвіл залежить від тривалості імпульсу τ (6.4):
ΔH = c τ / 2 (4.12)
У пункті 3.3 уже відзначалося, що при полілокаційному режимі тривалість
імпульсу додатково збільшується через різницю пробігу хвиль по направленню
акустичної вісі та краю діаграми. Виходячи з даних, що були розраховані та
використовуючи методику, що викладена в пункті 3.3 можно розрахувати
тривалість імпульсу, період слідкування та дозвіл системи за променем.
Спочатку розрахуємо різницю ходу променів у ДС. Виходячи з геометрії
вимірів максимальний пробіг l (4.13) у діаграмі буде:
l = H / cosγ (4.13)
де H – глибина , м;
γ – кут розгортання діаграми.
Таблиця 4.3 – Результати розрахунків
№п/п Хід променів γ , ℓ - Н, ∆τ,
град. м мс
1 Униз 12,5 1,21 0,8
2 Нагору 0,045 1.5 ⋅10−5 1⋅10−5
3 Униз 6,3 0,3 0,2
4 Нагору 0,09 6.2 ⋅10−5 4.1⋅10−5
5 Униз 3,2 0,08 0,05
6 Нагору 0,18 2.5 ⋅10−4 1.6 ⋅10−4
При остаточному розрахунку необхідно враховувати, що хвиля робить
пробіг туди і назад, відповідно зміна тривалості імпульсу буде 2∆τ.
Імпульс, сформований на виході ПЕП буде мати тривалістьτи.з. (4.14):
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. Підпис Дата 53
τи.з. = τи + 2Q ⋅To (4.14)
де τи – тривалість імпульсу,cформованого електронним блоком;
Q – добротність ПЕП;
То – тривалість імпульсів заповнення ЗІ.
τи.з. = 2 · 10+2 · 15 · 2 · 10 = 0,8 мс.
При прийомі тривалість імпульсу τ е.с. після триразового перевідображення
буде :
τ е.с. = τи.з. + 2(∆τ1 + ∆τ 2 ++ ∆τ 6 ) (4.15)
τ е.с. = 0,8 + 2 (0,8 + 0,2 +0,05) = 2,9 мс.
Як уже відмічалося, здатність, що дозволяє, по променю пропорційна
тривалості імпульсу, розрахуємо зміну здатності, що дозволяє, з ростом кількості
перевідбиття.
Таблиця 4.4 – Результати розрахунків
№п/п Хід променів τ е.с. , мс ∆H, м ∆H%
1 Униз 0,8 0,6 —
2 Нагору 2,4 1,8 0
3 Униз 2,4 1,8 0
4 Нагору 2,8 2,1 17
5 Униз 2,8 2,1 17
6 Нагору 2,9 2,175 21
∆H% – збільшення дозволу приведене до початкового – першого
перевідбиттю.
При поширенні променів нагору ДС дуже вузька і дає збільшення
тривалості на кілька порядків нижче, тому ми його не враховуємо.
Зіставляючи величину звуження діаграми і погіршення дозволу по
променю, бачимо, що після трьох перевідбить ДС зменшилася в 4 рази, а дозвіл
по променю погіршився на 13%.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
54
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Відповідно, ми бачимо, що з ростом кількості перевідбить зберігається
тенденція зменшення ДС при незначному погіршенні здатності, що дозволяє, по
променю вже після третього перевідбиття. Відповідно, обмеження кількості
перевідбить обумовлено в основному енергетичними параметрами системи.
Розрахунок періоду задаючих імпульсів
З урахуванням проведених розрахунків ми можемо розрахувати період
проходження ЗІ для трьох перевідбить та заданої глибини.
Т 2(NH2 + (N −1)H1)
сл +τи + 2QTo + ∆τ + Nϕ2 + (N −1)ϕв (4.16)
C
Згідно ТЗ глибина занурення ПЕП дорівнює нулю, тоді
Т 2 ⋅3 ⋅50
сл + 2 ⋅10−4 + 2 ⋅15 ⋅ 2 ⋅10−5 +1.05 ⋅10−3 + 3 ⋅1⋅10−6 + 2 ⋅0.01⋅10−3 = 0.202 с.
1500
Приймаємо з запасом Тсл = 0.3 с.
Розрахунок обмеження початкової ДС
Умова поділу ЕС при прийомі накладає обмеження на початкову
максимальну ДС, тому що переконливо, що збільшення тривалості імпульсу
значною мірою залежить від різниці ходу сигналу в ДС.
Максимальна різниця ходу буде в початковій діаграмі. Для полегшення
розрахунків приймемо що вона буде постійної і згідно рисунка cos γ = ВD/АВ ;
знайдемо обмеження по γ max виходячи з того, що між імпульсами повинне бути
не менш 4Tо. Фазові зрушення не враховуємо, тому що вони незначні і повною
мірою компенсуються за часом за рахунок допущення що різниця ходу
максимальна і постійна, хоча вона буде зменшуватися з ростом номера
перевідбиття.
Час приходу заднього фронту другого ЕС буде:
tзф = 4 ВD/с + τі + 2 QТо + 4 (АВ+ВD)/с.
Час приходу переднього фронту третього ЕС буде:
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 55
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
tпф = 6 ВD/с
Тоді можна записати:
tпф – tзф = 4 Tо
або
4 Tо = 6 ВD/с – (4 ВD/с + τі + 2 QTо + 4 (АВ+ВD)/с) ,
але АВ = ВD/cos γ ; τі = 10 Tо ; Tо = 2 ⋅10−5 с; с=1500 м/с.
Тоді після перетворення одержимо :
cos γ = 4 ВD / (6 ВD – 54 Tо с) = 200 / (300 – 1,62) = 0,67
відкіля γmax = arccos (0,67) = 48˚
Наша початкова діаграма складає 2γ = 25˚ і цілком задовольняє умові
поділу сигналів для заданої глибини і кількість перевідбиття дорівнює трьом.
Розрахунок індуктивності пристрою, що компенсує
Як відомо, для одержання максимальної випромінюваної потужності ЕАП
повинний мати часто активний опір, причому воно повинно бути дорівнювати
вихідному опорові генератора. Варіювати вихідним опором ми можемо в досить
великих межах, застосовуючи вихідний трансформатор, що погодить, а
компенсація ємнісної складової ПЕП здійснюється пристроєм, що компенсує,
дроселем, у якого індуктивний опір Х L буде дорівнює ємнісної складовій опору
ПЕП XC ,(4.17) тобто
2πfL 1
= , (4.17)
2πfC
де f – робоча частота.
Ємність ПЕП вимірюємо за допомогою вимірника ємності Е7-11. вона
складає С=1600 пф.
Тоді індуктивність L (4.18) пристрою, що компенсує, буде
L 1
= , (4.18)
4πfC
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. 56
Арк № докум. Підпис Дата
L 1
= 2 2 −9 = 6.3 ⋅10−3 Гн
4 ⋅π ⋅50000 ⋅1.6 ⋅10
4.3 Розрахунок енергетичних параметрів
При проектуванні гідролокаційної апаратури одним з основних етапів є
рішення рівняння гідролокації. Позначимо параметри гідролокації абревіатурами,
для того щоб по можливості обійтися без грецьких букв і підрядкових індексів
при записі рівнянь. Параметри являють собою виражені в децибелах рівні,
віднесені до еталонної інтенсивності плоскої хвилі з тиском 1мкПа. До
параметрів гідролокації, обумовленим апаратурою, відносяться: рівень
випромінювання – РВ, рівень власних завад – РЗ, показник спрямованості – ПС,
поріг виявлення – ПВ. Параметрами, обумовленими середовищем, є : втрати при
розповсюдженні – ВР, рівень навколишніх шумів – РШ. Параметрами,
обумовленими метою, є : сила мети – СМ або рівень мети – РМ.
Фізичний зміст параметрів найкраще проілюструвати на прикладі.
Джерело звуку, що виконує одночасно функції приймача, створює акустичне поле
з рівнем випромінювання в децибелах на відстані 1 м у напрямку акустичної осі.
Коли випромінюваний звук досягає мети, його рівень, унаслідок втрат при
поширенні зменшується і стає рівним РВ – ВР. В результаті відображення або
розсіювання звуку метою, що характеризується силоміць мети, його рівень,
названий тепер рівнем відбитого сигналу, стає рівним РВ – ВР – СМ на відстані
1 м від акустичного центра мети в напрямку до джерела. При поверненні сигналу
до джерела, його рівень додатково зменшиться через втрати при поширенні і
прийме значення РВ – 2ВР – СМ. Ця величина характеризує сигнал біля
перетворювача. Вважаючи, що перешкода – це ізотропний шум, знайдемо, що
рівень шуму попросту дорівнює РЗ. Цей рівень зменшується на величину ПС,
тому що на вхід приходить не весь шум, тому на вході буде сигнал величиною РВ
– 2ВР + СМ – (РЗ – ПС) . Задачею профілографа є виявлення в тому випадку, коли
відношення ехосигнал-завада на вході вище порога виявлення, що відповідає
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
57
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
встановленому вероятносному критерієві. У такий спосіб єхосигнал маскується
тільки тією частиною завади, що перевищує поріг виявлення. Тоді можна
остаточно записати рівняння гідролокації [ 24, стор.37 ] :
РВ – 2ВР + СМ = РЗ – ПС + ПВ,
зручне сполучення параметрів, що являє собою, тому що рівень ехосигналу
знаходиться в лівій частині, а рівень перешкоди, що маскує – у правій частині.
У нашому випадку необхідно визначити необхідну випромінювану
потужність, тобто РВ , тому вирішуючи це рівняння відносно РВ одержимо:
РВ = 2ВР – СМ + (РЗ – ВР) + ПВ.
Визначимо параметри для наших умов.
РВ зв'язаний з випромінюваною потужністю та ПС нескладним
співвідношенням. Інтенсивність звуку зв'язана із середньоквадратичним
значенням тиску в плоскій хвилі, вираженим у паскалях співвідношенням:
Ir = Pr² / ρc, Вт/м², (4.19)
де: Ir – інтенсивність на відстані r;
Pr² – середньоквадратичний тиск;
ρ – щільність середовища, кг
3 ;
м
с – швидкість звуку в середовищі, м/с.
Вирішуючи рівняння одержимо:
Ir = Раr²/10³ · 1,5 ·10³ = 0.666 ⋅10−6 Pr² Вт/м².
Для спрямованого випромінювача така інтенсивність відповідає вихідній
потужності:
Раr = 4 πr²Ir =8.35 ⋅10−6 Pr² r² (4.20)
На відстані 1 м потужність визначається вираженням 6.3:
Ра = 8.35 ⋅10−6 р1 ², Вт, (4.21)
де р1 – середньоквадратичний тиск на відстані 1 м, Па.
Прологарифмував обидві частини рівняння для Ра і врахувавши, що
величина 10 ℓg р1 ², дорівнює рівню випромінювання щодо одного мкПа,
одержимо:
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. 58
Підпис Дата
10 lg Pa = 10 lg8.35 ⋅10−6 ⋅ (10−6 )2 ⋅1 (4.22)
10 lg Pa = −170.8 + РВ
З урахуванням показника спрямованості вираження для РВ здобуває вид :
РВ = 170,8 + 10ℓg Р + ПС (4.23)
Для необхідної потужності
Ра = 10 (РВ −170.8 − ПС) (4.24)
10
Відповідно для перебування необхідної потужності випромінювання
необхідно визначити РВ, вирішуючи рівняння гідролокації.
Втрати при розповсюдженні можна розглядати як суму втрат на
розширення фронту хвилі і втрат внаслідок загасання звуку.
Згідно [24 стор.15] при сферичному законі розширення фронту хвилі
інтенсивність сигналу зменшується, а втрати зростають пропорційно квадратові
відстані, тобто:
ПР = 10 lg r 2 = 20 lg r (4.25)
Величину коефіцієнта загасання можна розглядати як суму декількох
додатків, що визначаються своїм механізмом, сдвиговим тертям, релаксаційними
процесами та ін. У різний час різними авторами пропонувалися різні емпіричні
формули для визначення коефіцієнта загасання у воді. Згідно [24, стор.8] для
оцінних розрахунків, з достатнім ступенем точності, в інтервалі частот до 60 кГц
можна використовувати просту емпіричну формулу, запропоновану Шихи і
Хелли:
3
β = 0.036 f 2 , (4.26)
де β – коефіцієнт загасання, дб/км;
f – частота , кГц.
При вимірах у море було встановлено, що гіпотеза про сферичне
поширення з урахуванням поглинання забезпечує прийнятні результати для самих
різних умов, хоча чисто сферичне поширення обмежене границями розділів.
Тому, коли специфічні умови поширення інтересу не представляють, необхідно
використовувати сферичний закон з урахуванням загасання [24, стор.201]:
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
59
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
ВР=20 lg r + β r ⋅10−3 .
У нашому випадку f = 50 кГц, тоді
3
β = 0.036 ⋅50 2 = 12.7 дб км
відстань r = 50 м, тоді
ВР = 20 lg 50 + 12,7 · 50 · 10−3 = 35 дб.
Так, як використовується третє перевідбиття, то сумарні втрати будуть:
6ВР = 6 · 35 = 210 дб.
Сила мети характеризує ехосигнал, що повернувся від підводної поверхні.
При цьому такі великомасштабні поверхні, як поверхня моря і його дно,
необхідно розглядати, як такі, що дифузно відбивають що характеризуються
подібним зі СМ параметром, таким як ефективна площа зворотного розсіювання,
не залежна ні від інтенсивності, ні від відстані та характеризує властивості
об'єкта.
Згідно [30, стор.208] для ділянки площею S при опроміненні по нормалі
ЕПР буде дорівнювати:
ЕПР = 4S Ко , (4.27)
де S – площа, м²;
Ко – коефіцієнт відбиття.
Коефіцієнт Ко враховує той факт, що не вся енергія падаючої хвилі
відбиває, а частина енергії проходить у друге середовище. Ця величина залежить
від імпедансів граничних середовищ і кута падіння.
Згідно [24]:
2
m ⋅ cosθ c
− 1
2 (1− jη)− sin2θ
c
К = 2
о , (4.28)
2
m ⋅ cosθ c
+ 1
2 (1− jη)− sin2 βθ
c2
де: θ кут падіння;
η - коефіцієнт втрат;
с1 - швидкість звуку у воді;
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
60
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
с2 - речовинна частина швидкості звуку в граничному середовищі;
m = ρ1/ρ2, де ρ – щільність, кг/м².
2
Позначимо 1 с
− 2
2 sin2θ = A;η = В
с1
Після перетворення одержимо
ρ с ρ1с
2
− 1 c
2 2 ⋅ 1− 2
2 sinθ − jη
соsθ c
К 1
о = (4.29)
ρ c ρ 2
+ 1c1 c
2 2 ⋅ 1− 2
2 sinθ − jη
cosθ c1
Відомо, що
A − jB = M1 + jM 2 , (4.30)
де: M 1
= A2 + B2
1 + A
2
M 1
2 = − A2 + B2 − A
2
Тоді з урахуванням уведених позначень
с ρ1с1
2ρ2 − (M1 + jM )
К = соsθ 2
о c (4.31)
c ρ ρ1 1
2 2 + (M1 + jM
cosθ 2 )
Позначимо:
ρ1c1 = Z ;
cosθ
ρ2с2 = Z1
Тоді формула прийме вид:
Z1 − Z
K M + jM
o =
1 2
Z (4.32)
1 + Z
M1 + jM 2
відкіля після перетворення:
Z 2 − Z 2 (M 2
1 + M 2
2 )− j2Z ⋅ Z1 ⋅MKo =
2
2 2 (4.33)
(Z1 + Z ⋅M1) + (Z ⋅M 2 )
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 61
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Якщо позначити речовинну частину через a , а мниму через b, то для модуля і
фази коефіцієнта відображення одержимо
K = a2 + b2
o
b (4.34)
tgϕ =
a
Для розрахунку коефіцієнта відображення і його фаз скористаємося
програмою МСАD. Результати розрахунків у додатку Г.
При розрахунках прийнялось, що:
щільність води ρу = 1000 кг/м³;
швидкість звуку у воді св = 1500 м/с;
щільність ґрунту ρгр = 2700 кг/м³;
швидкість звуку в ґрунті сгр = 1800 м/с;
щільність повітря ρвозд = 1,29 кг/м³;
швидкість звуку в повітрі свозд = 330 м/с.
Дані параметри прийняті як усереднені згідно [5, 23, 37, 32] .
При цьому бачимо, що в діапазоні від 0˚ до 30˚ для ґрунту він змінюється
незначно і складає Ко = 0,525 ÷ 0,54.
Для повітря у всьому діапазоні його можна прийняти рівним Ко = 1 , тому
що розходження у 4-му знаку після коми.
Фазові складові будемо враховувати далі при аналізі точності системи.
Як площу поверхні, що відбиває, приймемо площі засвічення виходячи з
діаметрів, розрахованих у п.6.1.
По отриманим даним обчислюємо величину, називаної надалі СМ,
виразивши неї в децибелах СМ = 10ℓg 4S Ко . Результати розрахунків
представимо в таблиці 4.4.
Сумарна СМ = 29 – 17 + 23 – 11 + 17 = 41 дб .
Рівень перешкоди приймаємо рівним рівневі навколишніх шумів води.
Згідно [37, стор.220] .РЗ= 30 дб для частоти f = 50 кГц.
Показник спрямованості визначається як:
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
62
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
ПС 10 lgπD 2
=
(4.35)
λ
Для поршневого перетворювача з D>λ, де D – діаметр перетворювача, м;
λ – довжина хвилі, м/с.
Тоді
ПС = 10 lg ((3,14 · 0,04)/0,03)² = 12 дб.
Поріг виявлення, згідно технічного завдання ПВ = 10 дб.
Підставляючи отримані дані в рівняння гідролокації одержимо :
Таблиця 4.5 – Результати розрахунків
№ S, м² Ко СМ, дБ
перевідбиття
1 380 0,525 29
2 0,005 1 – 17
3 95 0,525 23
4 0,02 1 – 11
5 25 0,525 17
РВ=6ВР – СМ + (РЗ - ПС) + ПВ=6 · 35 – 41 + (30 – 12) + 10 = 197 дБ.
Тоді необхідна акустична потужність
(197−170.8−12)
Р = 10 10 = 100.82
а = 26.3Вт
З обліком розрахованого електроакустичного ККД необхідна електрична
потужність
Р 1
е = Ра (4.36)
ηе.а.
Ре = 2.5 ⋅ 26.3 = 66Вт
Відповідно [24,стр 97] поріг кавітації для частоти 50 кГц складає 5 Вт/см²
за акустичною потужністю.
В нашому випадку площа перетворювача S=12.6 см², тоді як рівень
опромінення обмежений кавітацією рівнем Ра=63 Вт.
Необхідний рівень опромінення менший за поріг кавітації, що вказує на те,
що перетворювач може бути застосований без внесення додаткових мір.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
63
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
4.4 Оцінка надійності
Для оцінки точності і надійності виробів широко використовуються
статичні і вероятнісні методи. Розроблено цілий ряд кількісних показників, але
їхнє визначення зв'язане як правило з додатковими експериментальними
дослідженнями, тому що більшість з них є випадковими і вимагають усереднення.
Розглянемо основні критерії оцінки надійності гідроакустичної апаратури.
При проведенні тривалих іспитів великої кількості однотипних виробів можна,
користуючись методом математичної статистики, з достатнім ступенем точності
установити якийсь час нормальної роботи виробу даного типу між
відмовленнями. Це буде наробіток на відмовлення або середній час безвідмовної
роботи. За результатами проведених іспитів одного зразка наробіток на
відмовлення можна визначити [30-32] як:
n
Т ∑ t
= i
о , (4.37)
i=1 n
де То – наробіток на відмовлення, год.;
ti – час роботи між відмовленнями, год.;
n – кількість відмовлень за період, що спостерігається.
Іншим найважливішим показником надійності є такий параметр, як
інтенсивність відмовлень. У найпростішому випадку інтенсивність відмовлень
може бути визначена як відношення числа виробів, що відмовили за час іспиту, до
добутку кількості випробуваних виробів на час іспитів:
λ n
= , (4.38)
N ⋅ t
де λ – інтенсивність відмовлень, год−1 ;
n – кількість відмовивши за час t приладів;
N – кількість випробовуваних виробів;
t – час іспитів, год.
Між інтенсивністю відмовлень і середнім наробітком на відмовлення існує
залежність (4.3):
λ 1
= , (4.39)
То
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. 64
Арк № докум. Підпис Дата
Але наробіток на відмовлення Т0 і інтенсивність відмовлень λ не можуть
цілком охарактеризувати надійність виробу. Багато виробів за умовами
експлуатації повинні безвідмовно проробити якийсь час. Припустимо, що судно
повинне знаходиться в плаванні 120 годин. Це і буде заданий мінімальний час
безвідмовної роботи. Знаючи середнє значення наробітку на відмовлення і
заданий час безвідмовної роботи, можна визначити імовірність його безвідмовної
роботи, тобто імовірність того, що в заданому інтервалі часу не виникне
відмовлення.
У випадку, якщо відмовлення раптові і середнє число відмовлень однаково
за рівні періоди роботи, імовірність безвідмовної роботи Р0 буде визначатися
(4.40):
Р −λt раб .
о = е , (4.40)
тому що λ 1
= , вираження прийме вид:
То
t раб .
−
Р = е Т о
о , (4.41)
де tраб – заданий мінімальний час безвідмовної роботи, год.
У результаті іспитів був отриманий час наробітку на відмовлення 3000
годин. Тоді імовірність безвідмовної роботи складе
120
−
Р 3000
о = е = 0.96
тобто 96 з 100 приладів пророблять 120 годин без відмовлень, або даний
прилад з імовірністю 96% проробить безвідмовно протягом 120 годин.
4.5 Аналіз похибки
Основною оцінкою якості профілографа є точність виміру ним глибини,
що визначається величиною похибки. Як усякий складний електромеханічний
прилад, профілограф володіє ланкою похибок, які необхідно враховувати при
його експлуатації, тобто коректувати відлік, що знімається.
Похибки профілографа поділяють на дві групи: власні або
інструментальні, котрі виникають від неякісно виконаного регулювання,
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 65
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
наявності бази, недосконалості конструкції та похибки, викликані впливом
зовнішніх факторів, – відхилення швидкості звуку в морській воді від
розрахункової, різних фазах коефіцієнта відбиття.
Величину інструментальних похибок профілографа при його експлуатації
легко одержати, а отже і врахувати.
Похибка через наявність бази – у даному випадку це різне осідання судна.
Її можна врахувати, додаючи величину осадки до показань приладу, але це
необхідно тільки у випадку першого відбиття, тому що в полілокаційному режимі
при числі відображень більше одного ця похибка усувається.
Похибка, обумовлена формою посиленого імпульсу, виникає внаслідок
інертності випромінювача. Максимального значення амплітуда коливань досягає
тільки через деякий проміжок часу як при випромінюванні, так і при прийомі. Ця
погрішність буде мати величину (4.42)[30-32]:
∆Н = 2QNo ⋅ c , (4.42)
де Q – добротність випромінювача;
T0 – період імпульсів заповнення, с;
с – швидкість звуку у воді, м/с.
∆Н = 2 ⋅15 ⋅ 2 ⋅10−5 ⋅1500 = 0,9 м.
Цю величину треба відняти з показань приладу.
Більш того, при відхиленні робочої частоти від резонансної, так само буде
змінюватися фаза між вихідною амплітудою коливань і випромінюваною
акустичною хвилею. Згідно [32] її можна врахувати в такий спосіб:
ΔН = c ∙ T0 ∙ψ /1 (4.43)
де T0 – період частоти заповнення;
с – швидкість звуку у воді, м/с ;
ψ – зсув фази, ψ ≈ arctg (2 ΔωQ / ω0).
Формула дає величину виправлення і знак.
Похибка цифрового індикатора обумовлена дискретністю сигналу і
складає одиницю молодшого розряду – у нашому випадку ± 0,1 м.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 66
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Похибка, обумовлена відхиленням дійсної швидкості поширення звуку у
воді від розрахункової.
При розрахунку була прийнята швидкість звуку у воді со = 1500 м/с . У
дійсності швидкості звуку у воді є змінною величиною і залежить в основному від
температури. Так, зміна температури на 1 ˚С викликає зміна швидкості звуку в ній
від 2,4 до 4,4 м/с, у залежності від початкової температури.
Відхилення фактичної швидкості звуку у воді від розрахункової викликає
похибку у показаннях, що може досягати кілька відсотків від зміненої глибини.
При цьому виправлення додається або віднімається, у залежності від
відхилення швидкості.
Виправлення можна також розрахувати по формулі (4.44):
Н Н с
∆ с = −1 , (4.44)
со
де с – фактична швидкість, що у свою чергу можна одержати з формули
(4.45):
с = 1450 + 4,206 t –0,0366 t², (4.45)
де t – температура води.
Враховувати виправлення рекомендується тільки на великих глибинах і
при значній різниці швидкостей.
При відбитті від розділу вода – повітря, сигнал здобуває фазове зрушення
на пів періоду. При двох відбиттях - період, тоді виправлення буде:
∆Нϕв = То ⋅ с, (4.46)
де T0 – період частоти заповнення;
с – швидкість звуку у воді, м/с.
Складніше обстоїть справа з відбиттям від дна. Фаза коефіцієнта відбиття
може змінюватися в значних межах, але не більше, ніж від 0 до π. При трьох
відбиттях максимальна затримка складе 3 π або 1,5 T0, тоді похибка буде
максимальна:
∆Нϕ 2 = 1.5 ⋅То ⋅ с = 0.045м
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. 67
Підпис Дата
З урахуванням вище викладеного, якщо ввести виправлення на швидкість
звуку у воді і глибину занурення ЕАП, методична похибка вимірів не перевищить
(4.47):
n
δ = ∑δ 2 = δ 2 +δ 2 +δ 2 2
мет. ц ϕ ϕ + δϕ (4.47)
в 2 ЕАП
i=1
де δц - похибка відлікового пристрою;
δϕ – похибки, обумовлені фазовими набігами при відбитті від розділів
в ,2 , ЕАП
вода – повітря, вода – ґрунт і в ЕАП.
δ 2 2
мет = 0.1 + 0.03 + 0.0452 + 0.0152 = 0.11м
або у відсотках 0.11
⋅100 % = 0,24%.
50
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 68
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
5 Технологічний розділ
5.1 Коротка характеристика виробництва
Однієї зі складових частин процесу виготовлення гідроакустичної
апаратури є механічна складання виробу. Під складанням розуміють процес
з'єднання у визначеній послідовності окремих деталей у складальні вузли, блоки,
прилади, системи для одержання виробу. Вибір послідовності операцій
складального процесу залежить від конструкції виробу, виду виробництва й
організаційних сторін складання.
Базовою деталлю в більшості конструкцій є корпус, або каркас. У ряді
випадків складальний процес чергують з операціями електричного монтажу [33].
У ході зборки гідроакустичної апаратури можуть застосовуватися роз`ємні
і нероз`ємні з'єднання. При цьому нероз'ємні з'єднання варто застосовувати в тих
випадках, коли термін служби з'єднання значно перевищує термін служби усього
виробу й у процесі експлуатації не потрібна його розбирання. При цьому
застосовують зварені, паяні, клеєні з'єднання.
Так у розробленій конструкції для приєднання проводів застосовують
м'який припой ПОС-61 ГОСТ 21930-76. Інші з'єднання виконані рознімними, що
обумовлено можливою необхідністю розборки для ремонту в процесі
експлуатації. З'єднання різьбові за допомогою гвинтів[33-38].
5.2 Підготовчі операції при складанні
Деталі, що надходять на вузлову і загальну зборку апаратури повинні бути
чистими, тому застосовують очищення щітками, промивання бензином або
спиртом, з наступним обдуванням стислим повітрям.
В умовах серійного виробництва апаратури застосовують вузлове
складання. При цьому складання окремих вузлів здійснюється на окремих
самостійних ділянках.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 69
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Контроль здійснюється як у процесі вузлової зборки так і по закінченню
роботи. Основними методами контролю при складанні виробу є візуальний огляд,
перевірка працездатності виробу, перевірка відповідності параметрів
встановленим технічними умовами.
5.3 Елементи герметизації
У гідроакустичній апаратурі особлива увага приділяється елементам
герметизації, що призначені для захисту від проникнення вологи в корпуси
елементів. Вони можуть бути застосовані в конструкціях, де є поділ середовищ
рідина – рідина або газ – рідина.
Вибір типів ущільнення залежить від пропонованих до них вимог і умов
роботи. Хімічна активність середовищ визначає вибір матеріалу ущільнень. На
вибір матеріалу так само впливає необхідний ступінь герметичності, діапазон
робочих температур та загальний термін збереження й експлуатації.
Герметичність досягається за рахунок розміщення між з'єднаними
деталями прокладки, що під дією контактного тиску заповнює всі нерівності цих
деталей, або введенням спеціальних герметиків, що виконують ту ж саму
функцію. [33-38]
Щоб заповнити нерівності, матеріал прокладки повинний бути пластичним
і досить твердим, наприклад, гума, що і використовується в більшості випадків.
Прокладку поміщають в обмежений обсяг, що дозволяє забезпечити необхідний
ступінь герметичності. Найбільше поширення одержали кільцеві прокладки і
канавки прямокутного перетину.
5.4 Технологічність конструкції
Конструкція деталі, вузла, приладу в цілому є основним чинником, що
визначає економічні показники при їхньому виготовленні.
Конструкція, що при повній відповідності технічним вимогам може бути
виконана найбільш високопродуктивними технологічними прийомами при
мінімальних матеріальних витратах і мінімальній трудомісткості називається
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
70
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
технологичною. Саме цими параметрами визначенється конструкція антени, що
проектується[33-38].
Занурення антени у воду відбувається на невелику глибину, перехід тисків
буде невеликий і можна спростити елементи герметизації без збитку для
герметичності. Це дасть виграш у часі зборки і матеріалах у порівнянні з
запропонованим в аналогах. Для захисту від механічних ушкоджень тонкої
мембрани передбаченаі захисні металеві ґрати. Для зменшення втрат звуку при
випромінюванні, передбачене заповнення простору у випромінювачі касторовою
олією, що має близькими з водою властивостями, а при рівності імпедансів втрати
мінімальні.
Матеріал корпуса – латунь, був обраний виходячи з того, що вона має
високу технологічність при обробці і достатній корозійній стійкості стосовно
активного водного середовища[33-38].
Застосування гумових прокладок між пєзоперетворювачем та корпусом
забезпечує не тільки електроізоляцію, але і додаткове акустичне екранування
небажаних побічних випромінювань. Акустичне екранування визначило так само
товщину корпуса[33-38].
5.5 Розрахунок часу технологічного процесу зборки
Чим докладніше розроблений технологічний процес, тим точніше він може
бути нормований. Час технологічного процесу складання tшт визначається в
загальному виді[33-38]:
tшт = tо + tд + tоб + tор , (5.1)
де tшт − технологічний час зборки, хв;
tо – основний технологічний час, хв;
tд − додатковий технологічний час, хв;
tоб − час на обслуговування робочого місця, хв;
tор − час на відпочинок і фізіологічні нестатки, хв.
Якщо ввести заміну:
tо + tд = tоп, (5.2)
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
71
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
де tоп − оперативний час на виготовлення однієї складальної операції, хв,
то формулу 5.1 можна спростити.
Час на обслуговування робочого місця tоб звичайно приймають у розмірі
2-5 % від оперативного часу tоп .
Час, відведений на відпочинок і фізіологічні нестатки tоп установлюють
2-3 % від оперативного часу.
З огляду на вище сказане норма одиничного часу визначається :
tшт = tоп + 0,05tоп + 0,03tоп = 1,08tоп . (5.3)
У формулі 5.2 оперативного часу, додатковий час визначається часом, який
необхідно для того, щоб узяти деталь у руки й оглянути неї, тому приймається
tд = 0,05 хв. для кожної операції.
Основний час визначається по формулі 9.4:
tо = tо* ∙ k, (5.4)
де tо* − норматив часу на операцію, хв ;
k - коефіцієнт, що враховує серійність виробництва.
Для малосерийного виробництва k = 1,5.
У такий спосіб формула 5.3 технологічного часу складання має вигляд :
tшт = (1,5tо* + 0,05) ∙ 1,08 = 1,62 tо* + 0,054 (5.5)
Визначимо технологічний час складання антени по операціях і загальний
час згідно техпроцеса.
1. Одягти пружинну шайбу поз.16, шайбу поз.19, монтажний пелюсток
поз.10 на гвинт поз.16 і кріпити монтажну планку поз.12 до корпуса
tшт =1,62 ∙(3 ∙ 0,05 + 0,26) + 0,054 = 0,72 хв.
2. Одягти натискну гайку поз.2, натискну втулку поз.1, ущільнювальне
кільце поз.3 на кабель поз.24
tшт = (1,62 ∙ 0,05 + 0,054) ∙ 3 = 0,41 хв.
3. Ввести в корпус поз.7 кабель поз.24 і затиснути натискну гайку поз.2
tшт = 1,62 ∙(0,05 + 0,5) + 0,054 = 0,95хв.
4. Установити прокладку поз.13 в корпус поз.7
tшт = 1,62 ∙ 0,05 + 0,054 = 0,14хв.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 72
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
5. Паяти кабель поз.24 і проводу поз.25 до монтажного пелюстка поз.10 та
монтажній планці поз.12
tшт = 1,62 ∙ 0,2 ∙ 4 + 0,054 = 1,35 хв.
6. Установити пєзоэлемент поз.15 в корпус поз.7 на прокладку поз.13
tшт = 1,62 ∙ 0,1 + 0,054 = 0,22 хв.
7. Установити прокладку поз.14 у корпус поз.7
tшт = 1,62 ∙ 0,05 + 0,054 = 0,14 хв.
8. Установити кільце ущільнювальне поз.5 у корпус поз.7
tшт = 1,62 ∙ 0,05 + 0,054 = 0,14 хв.
9. Установити кільце ущільнювальне поз.6 у корпус поз.7
tшт = 1,62 ∙ 0,05 + 0,054 = 0,14 хв.
10. Установити мембрану поз.11 у корпус поз.7
tшт = 1,62 ∙ 0,08 + 0,054 = 0,18 хв.
11. Установити кришку захисну поз.9 на корпус поз.7
tшт = 1,62 ∙ 0,25 + 0,054 = 0,46 хв.
12. Встановити пружинну шайбу поз.16, шайбу поз.19 на гвинт поз.21 та
закріпити кришку захисну поз.9 до корпуса поз.7
tшт = 1,62 ∙(0,05 ∙ 2 ∙ 6 + 0,5 ∙ 2) + 0,054 = 2,65 хв.
13. Встановити шайбу пружинну поз.17, шайбу поз.22 на гвинт поз.20 та
закріпити деталь поз.8 до корпуса поз.7
tшт = 1,62 ∙(0,05 ∙ 2 ∙ 2 + 0,5 ∙ 2) + 0,054 = 2 хв.
14. Підключити антену за допомогою кабелю поз.23 до випробувального
стенда
tшт = 1,62 ∙ 0,15 + 0,054 = 0,3 хв.
15. Порівняти з роботою еталонного зразка
tшт = 1,62 ∙ 1 + 0,054 = 1,67 хв.
16. Прийняти рішення
tшт = 1,62 ∙ 0,2 + 0,054 = 0,38 хв.
17. Відключити антену від стенда
tшт = 1,62 ∙ 0,15 + 0,054 = 0,3 хв.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 73
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
18. Заповнити внутрішний простір касторовою олією через отвір деталі
поз.18
tшт = 1,62 ∙ 30 + 0,054 = 48,65 хв.
19. Встановити шайбу поз.23, ущільнювальне кільце поз.4 на гвинт поз.18
і затиснути гвинт у корпус поз.7
tшт = 1,62 ∙(0,05 ∙ 2 + 0,5) + 0,054 = 1,03 хв.
20. Пломбувати виріб
tшт = 1,62 ∙ 0,1 + 0,054 = 0,22 хв.
Сумарний час складання
tскл = ∑tшт = 62,05 хв.
5.6 Розрахунок розмірного ланцюга
Аналіз правильності призначення допусків розмірів виконують за
допомогою розрахунку розмірного ланцюга. Розмірний ланцюг – це сукупність
розташованих по замкнутому контурі розмірів, що безпосередньо беруть участь у
рішенні задачі по досягненню заданої точності[33-38].
Розрахунок розмірного ланцюга антени будемо робити по методу
максимуму-мінімуму. Це метод заснований на припущенні, що усі ланки
розмірного ланцюга мають граничні розміри, максимальні – для збільшення
розмірів та мінімальні – для зменшення. Цей метод використовується в умовах
одиничного виробництва[33-38].
В нашому випадку необхідно забезпечити необхідний мінімальний зазор
для встановлення захисної кришки на корпус.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 74
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Рисунок 5.1 – Вузол, що сполучається
Рисунок 5.2 – Розмірний ланцюг
Вихідне рівняння :
М0 = М1 − М2 −М3, (5.6)
де Мi – розміри відповідних ланок.
Номінальне значення N0 замикаючої ланки:
N0 = 78 − 0,5 − 0,5 = 77 (хв.)
Граничне відхилення центра допуску для ланок:
Ес01 = 0,05 мм ; Ес02 = 0; Ес03 = 0.
Тоді для замикаючого розміру :
Ес0 = 0,05−0−0 = 0,05 мм .
Допуск замикаючого розміру То дорівнює:
Т0 = ∑ Ti, (5.7)
де Ті – допуски відповідних ланок.
Т0 = 0,1 + 0,2 + 0,2 = 0,5 (мм.)
Значення замикаючого розміру М0:
М0 = N0 + Ес0 ± T0/2 (5.8)
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 75
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
М0 = 77 + 0,05 ± 0,5/2 = 77-0,2.
5.7 Розрахунок геометричних розмірів корпуса антени
При конструюванні антени необхідно врахувати той факт, що тильне і
бічне випромінювання є що заважають і можуть привести до помилкових
сигналів. Тому конструкція антени повинна забезпечувати поширення
випромінювання тільки убік головної акустичної осі. Це досягається
застосуванням визначених матеріалів і дотриманням геометричних співвідношень
елементів. Так, корпус антени можна розглядати як проміжний шар. При цьому в
[39, стор.35] виходячи з умови безперервності тиску і коливальної швидкості на
границях цього шару та з огляду на закон переломлень, для кутів менше
критичного були отримані наступні модулі коефіцієнтів відбиття і проходження :
q 1
− sin(k2h cosγ )
q
Ко = (5.9)
2
4 cos2(
k2hcjsγ )+ q 1
+ 2
q
sin (k2h cosγ )
Кп 2
= , (5.10)
2
4 cos2(
k hcjsγ ) q 1 2
2 + + sin (k2h cosγ )
q
де q ρ2c2 cosα
= ,
ρ1c1 cosγ
ρ1c1 – щільність і швидкість звуку для води,
ρ2c2 – щільність і швидкість звуку для шару,
α – кут падіння,
γ – кут переломлення,
k2 = 2π/λ – хвильове число для шару.
З отриманих виражень випливає, що для нормального падіння хвилі та
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 76
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
k2 h << 1 модуль коефіцієнта проходження прагне до одиниці, тобто через
тонкий шар звук проходить практично цілком. У такий спосіб застосування тонкої
мембрани для захисту від навколишнього середовища не веде до втрат. З іншого
боку, якщо виконується рівність k2 h = (2n + 1)λ2/4, тобто товщина шару
дорівнює непарному числу чвертей довжини хвилі в ньому, то коефіцієнт
відбиття приймає найбільше значення K0 = |q²–1| / q²+1 , а коефіцієнт
проходження – мінімальне значення KП = 2q / q²+1.
Відповідно, приймаючи матеріал корпуса - латунь з параметрами
ρ = 8,5·10¯³ кг/м³ ; с= 4200 м/с розраховуємо довжину хвилі :
λ = c / f = 4200 / 50000 = 0,08 м.
Тоді товщина корпуса h = 0,084 · 0,25 = 0,021 м.
Відповідно, коефіцієнт проходження
Кп 2 ⋅23.8
=
23.8 2 = 0.08
+1
Як показали розрахунки ця величина пренебрежимо мала, то таким чином
можна вважати, що випромінювання від антени тільки фронтальне.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. 77
Арк № докум. Підпис Дата
6 Спеціальний розділ
6.1 Економічне обґрунтування необхідності проектування та
експлуатації приладу
В межах даного дипломного проекту розробляється акустичний
профілограф, що призначений для вивчення стратифікації не ущільнених опадів
завтовшки від одиниць до десятків метрів, проведення геологічних та
археологічних досліджень, вивченні акустичних характеристик дна, обстеження
конструкцій та трубопроводів, що присипані.
Вище було обґрунтована необхідність профілографа з технічної точки
зору. Але економічне обґрунтування має не менше значення: в проектування
приладу входить не тільки виконання конструкторської роботи на більш
вищому рівні, й дотримуватися мінімізації витрат на розробку та виробництво
приладів. Даний розділ сприяє рішенню економічної сторони проектування,
подається економічне обґрунтування необхідності проектування та
експлуатації.
Далі будуть приведені розрахунки, що дозволяють кількісно визначити
економічні показники проектування та виготовлення акустичного реєстратора
глибини під кораблем.
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 - 643,26
2. Перелік програм:
2.1 Програма «Proteus» шт 1 6190
Всього: 6 833,26
Загальна вартість матеріалів 6 833,26 грн.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 78
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Розрахунок допоміжних витрат
Для розрахунку допоміжних витрат використовуються дані таблиці 8.5.
Таблиця 8.2 - Нормування допоміжних витрат
№ Назва Одиниця Сума витрат, грн.
Кількість
П/П матеріалів виміру За одиницю Загальна
1 Припій кг 0,07 1750 122,5
2 Флюс , Ф3 л 0,192 360 69,12
3 Спирт л 0,05 140 7
4 Хлорне залізо Упаковка 1 120 120
5 Лак л 0,05 450 22.5
Всього : 341,12
Розраховується вартість електроенергії що споживається в процесі обробки
плати.
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
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 79
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
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 (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 =39,88грн.
Розрахунок прямих витрат виконуватимемо за даними таблиці 6.3.
Таблиця 6.3 - Розрахунок прямих витрат
№ п/п Назва статей витрат Сума витрат, грн. Примітка
1 Прямі матеріальні витрати
1.1 Сировина, матеріали 6 833,26 Таблиця 8.1
1.2 Допоміжні матеріали 341,12 Таблиця 8.4
1.3 Електроенергія 39,88 Вел.ен.
Всього: 7 214,26
Отже, прямі витрати на розробку та виготовлення акустичного
профілографа складають 7 214,26грн.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 80
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
6.2 Охорона праці
Аналіз небезпечних та шкідливих чинників, що випливають на
інженера-проектувальника при роботі в приміщенні технічної лабораторії
В даній роботі проводиться розробка проекту акустичного реєстратора
глибини під кораблем. Така робота полягає в проведенні складних системних
розрахунків. В сучасних умовах ці роботи проводять із застосуванням сучасної
комп’ютерної техніки. Робота інженера-проектувальника з комп’ютером
пов’язана з довготривалим сидінням на одному місці майже нерухомо перед
монітором комп’ютера.
Для ефективної організації роботи спеціаліста у приміщенні технічної
лабораторії необхідно проаналізувати всі прямі та побічні фактори впливу
навколишнього середовища на працівників.
За рівнем фізичних навантажень ця робота відноситься до категорії Іа.
Кімната лабораторії розрахована на 4 постійних робочих місця. Лабораторія має
такі розміри : довжина 6 м , ширина 5 м , висота 3,5 м. Площа кімнати складає 30
м2, об’єм – 105 м3. Це складає 7,5 м2 площі та 35 м3 об’єму на одне постійне
робоче місце, що відповідає вимогам ДБН В.2.2.28-2010 «Адміністративні та
побутові будівлі».
Розглянемо проблеми організації раціонального освітлення на робочому
місці. Першими страждають від некоректно організованого освітлення органи
зору людини. Пряме потрапляння променів світла на сітківку не є бажаним, але
становить небезпеку тільки при тривалому (протягом декількох годин) прямому
впливі і надлишку частки синього кольору, який призводить до фотохімічних
змін. Краще вибирати лампи з розсіювачем - він знижує ризик пошкодження
сітківки.
Опіки, які отримані в результаті випадкового доторкання людини до
джерела світлового випромінювання - ще один привід розлучитися з
традиційними лампами розжарювання. Після 10 хвилин роботи температура на
поверхні колби підвищується до 110-120 °С, у люмінесцентних ламп цей показник
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. Підпис Дата 81
в два рази нижче. В цьому відношенні найбільш безпечними є світлодіодні лампи.
Вони виділяють невелику кількість тепла, але вже не можуть обпекти людини при
випадковому торканні, так як майже вся теплова енергія поглинається
радіаторами, які служать для відводу тепла від плати з LED-елементами.
Люмінесцентні лампи небезпечні при порушенні їх цілісності - вони
виділяють пари ртуті, які мають виражений негативний вплив: викликають
нудоту, запаморочення, пригнічують функцію нирок, нервової та дихальної
систем. Розбити LED-лампи складніше завдяки наявності в них розсіювача з
міцних матеріалів - матованого полікарбонату, прозорого або напівпрозорого
пластику. Такі прилади легко переносять падіння з висоти 1-2 метрів. Навіть якщо
світлодіодна лампа розіб'ється, її вміст не становитиме загрози для здоров'я
людини.
Шкоду організму може нанести й миготіння, характерне для всіх типів
ламп. Воно непомітне органам зору. Мерехтіння викликає втому, головний біль,
розлад нервової системи. Їх негативний вплив пояснюється зміною ритмічної
активності нервових елементів мозку, який змушений перебудовуватися під впливом
світових пульсацій. У лампи розжарювання коефіцієнт пульсації досягає 16-18%, а у
світлодіодних світильників, оснащених драйверами, не перевищує 4%.
В приміщенні лабораторії використовується однобічне природне
освітлення з північно-західною орієнтацією вікон. Розміри двох вікон
приміщення однакові і становлять 1,40×2,0 м. Робочі столи розташовані так, що
вікна знаходяться збоку робочих місць. Вікна обладнані шторками, які розсіюють
світло. При цьому у полі зору працюючого забезпечується оптимальне
співвідношення яскравості робочих та навколишніх поверхонь.
Найменшим об’єктом розрізнення виступає «крапка» тексту на фоні
монітора (в текстових редакторах та математичних прикладних програмах це
текст чорного кольору і білий колір робочого поля). Найменший об’єкт
розрізнення – 0,25 мм, що відповідає дуже високому ступеню точності зорової
праці. Розряд зорової праці – II, підрозряд – г. Контраст об’єкту розрізнення з
фоном - великий.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 82
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Згідно з ДБН В.2.5-28-2018 нормування природного освітлення
проводиться за допомогою коефіцієнта природної освітленості (КПО),
вираженого в відсотках, який для даного типу зорової праці складає 1,5%.
Фактичне значення КПО знаходиться в межах 32-38%. Отже, рівень природного
освітлення є достатнім.
Для темного часу доби передбачене штучне освітлення. При штучному
освітленні нормується величина освітленості в люксах (Лк), яка вибирається в
залежності від характеристик зорової праці з урахуванням найменшого розміру
об'єкта розрізнення, фону, контрасту об'єкта розрізнення з фоном.
Лабораторія обладнана шістьма світильниками типу ЛСП 02В - 2×40,
розташованими безпосередньо над робочими місцями на стелі приміщення.
Кожний світильник має дві люмінесцентні лампи денного світла. Для даного
типу зорової праці необхідна величина штучного загального освітлення
складає 300 Лк.
Фактичне значення даного параметра складає більше 330 Лк. Отже, рівень
штучного освітлення на робочому місці є достатнім відповідно до ДБН В.2.5-
28-2018 «Природне і штучне освітлення».
В кімнаті в холодний період року функціонує система централізованого
водяного опалення, яка відповідає ДБН В.2.5.67-2013. Система опалення
складається з двох 10-ти секційних чавунних радіаторів типу М-140-АО,
встановлених під кожним вікном.
Важливе значення мають фактори мікроклімату в робочому приміщенні,
так як вони безпосередньо впливають на здоров’я та самопочуття працівника.
Згідно з ДСН 3.3.6.042-99 нормативні значення основних факторів мікроклімату
наступні:
1. Температури повітря:
− в теплий період року – 23 - 25 °С (допустима – 20 - 28 °С). ;
− в холодний період року – 22 - 24 °С (допустима – 21 - 25 °С).
2. Вологість повітря:
− в теплий період року – 40 - 60 %;
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
83
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
− в холодний період року – 40 - 60 %.
3. Швидкість руху повітря:
− в теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1 - 0,2 м/с) ;
− в холодний період року – 0,1 м/с (допустима – менше 0,1 м/с) .
Фактичні значення даних параметрів мають такі значення:
1. Температури повітря в теплий період року становить – 25 - 27 °С, в
холодний період року – 21 - 22 °С .
2. Вологість повітря має різні значення але знаходиться в допустимих
межах – 40 - 60 %.
3. Швидкість руху повітря як в теплий так і в холодний період року не
перевищує 0,1 м/с.
Таким чином, параметри повітря в теплий та холодний період року
задовольняють прийнятим стандартам і нормам, тому немає необхідності
встановлення системи кондиціювання та модернізації системи опалення.
В даному приміщенні передбачена неорганізована природна вентиляція.
Повітря просочується через нещільності у вікнах та дверях. Також здійснюється
провітрювання приміщення при відкриванні вікон та кватирок.
З вище наведених значень параметрів мікроклімату в робочому
приміщенні можна зазначити, що система опалення, яка застосовується, повністю
забезпечує належні умови праці (температуру повітря) в холодний період року.
Одним з негативних факторів є підвищене зорове напруження, що
пов'язане із спостереженням за інформацією на екрані монітора. Спеціаліст
втомлюється від постійного ефекту миготіння монітора, нестійкості та нечіткості
зображення, необхідності частої переадаптації очей до рівня освітлення екрану
дисплея та загального освітлення приміщення.
Інженер-проектувальник проводить велику кількість часу поряд із
системним блоком комп’ютера, в якому вентилятор охолодження створює
шум. Це також являється важливим фактором виробничого середовища.
Додатковий рівень шуму створює принтер, який знаходиться в дальньому
кутку кімнати.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
84
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Згідно з ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми рівнів шуму на робочих
місцях» нормативне значення еквівалентного рівня шуму при даному видові
діяльності та типу робочого місця складає 50дБА. Рівень шуму на робочих
місцях в даному приміщенні становить 45-47 дБ, що не перевищує норми.
Відповідно до ДСН 3.3.6.096-2002 напруженість ЕМП у діапазоні частот
60кГц-3МГц на робочих місцях персоналу протягом робочого дня не повинна
перевищувати 50 В/м. Фактичне значення даного параметра складає менше 0,2
В/м. Отже, рівень електромагнітного випромінювання знаходиться в межах
норми.
Умови праці спеціаліста при роботі з комп'ютером визначаються
характеристиками устаткування, якістю робочих матеріалів у робочій зоні,
конструкцією робочих меблів та її розмірними характеристиками. Робоче місце
співробітника є постійним і складається зі столу, на якому установлений
персональний комп'ютер, та спеціального м’якого стільця. Монітор розміщені так,
щоб відстань від очей користувача до екрану складала не менше 70 cм, кут огляду
30о. Руки користувача розташовуються на робочому столі в горизонтальному
положенні. Ширина столу 1,2 м, усі предмети, що знаходяться на ньому
розташовані на відстані не більш 75 см від працівника, отже вони знаходяться в
робочій зоні. Висота столу 74 см. Параметри робочого місця відповідають ДСТУ
8604:2015 та ДСанПіН 3.3.2.007-98.
З точки зору психологічного навантаження доцільно віднести роботу
інженера до роботи з великим обсягом інформації та великою розумовою
активністю. Однотипність даних на екрані та очікування закінчення розрахунків
може привести до додаткового виснаження, швидкого стомлення, значного
зниження працездатності.
При великому рівні психологічних навантажень спеціаліст змушений
довгий час перебувати у нерухомому стані, практично без фізичних навантажень,
що негативно відображається на фізичному стані та вимагає додаткових вольових
зусиль, які виснажують людину.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
85
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Електропроводка мережі змінного струму в приміщенні лабораторії
прихованого типу, що захищає працюючих в аудиторії від дотику до оголених
проводів напругою 220 В при механічному руйнуванні проводки. Приміщення
відноситься до 3 типу: приміщення без підвищеної небезпеки, відповідно ПУЕ-17,
оскільки в приміщенні немає таких небезпечних факторів як: високої відносної
вологості повітря (перевищення 75% протягом тривалого часу); високої
температури повітря (більше 350С протягом тривалого часу); струмопровідного
пилу; струмопровідної підлоги; хімічно активного середовища. Обладнання,
встановлене в приміщенні живиться напругою 220В і споживає потужність менше
ніж 3 кВт. Системний блок ПК, має металевий корпус, тому згідно ДСТУ Б В.2.5-
82:2016 ці корпуси повинні бути під'єднані до системи захисного заземлення.
З працівниками установи регулярно проводиться інструктаж з техніки
безпеки, який складений з врахуванням вимог необхідних нормативних
документів з гігієни праці та техніки безпеки.
Приміщення лабораторії відноситься до приміщень з категорією
пожежобезпеки типу В (горючі та важкогорючі рідини, тверді горючі та
важкогорючі речовини і матеріали (в тому числі пил та волокна), речовини та
матеріали, здатні при взаємодії з водою, киснем повітря або одне з одним горіти,
за умови, що приміщення, в яких вони знаходяться (використовуються), не
належать до категорії А та Б) згідно з ДСТУ Б В.1.1-36:2016, оскільки в
приміщенні існують дерев'яні меблі, велика кількість паперу та інші матеріали.
Існуючі в установі інструкції на випадок пожежі складенні відповідно до
НАПБ А.01.001-2014 «Правила пожежної безпеки України».
План евакуації розміщений на стіні з вільним доступом до нього.
Приміщення обладнане порошковим вогнегасником ВП-5У, який закріплено в
місці вільного доступу у випадку виникнення пожежі (відповідно Правил
експлуатації та типові норми належності вогнегасників).
В результаті проведеного аналізу можна зробити висновок, що всі умови
праці в технічній лабораторії відповідають нормативним вимогам. Але в
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 86
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
приміщенні лабораторії необхідно розрахувати і змонтувати систему захисного
заземлення.
Розрахунок системи захисного заземлення лабораторії
Автоматичне вимикання живлення призначене для недопущення
патофізіологічного ефекту, який може виникнути в результаті наявності напруги
дотику визначеної величини і тривалості дії у разі пошкодження ізоляції в
електроустановці. Автоматичне вимикання живлення є найбільш
розповсюдженим заходом захисту у разі непрямого дотику.
Якщо як захід захисту у разі непрямого дотику застосовується автоматичне
вимкнення живлення, необхідно виконати систему заземлення і основну систему
зрівнювання потенціалі, а також забезпечити координацію характеристик
захисних пристроїв, які здійснюють це вимикання, та параметрів можливих кіл
замикання на відкриті провідні частини або захисні провідники.
При використанні автоматичного вимикання живлення як заходу захисту у
разі непрямого дотику захист від прямого дотику повинен бути забезпечений
основною ізоляцією або огорожами чи оболонками.
Захисний пристрій, який призначений для забезпечення автоматичного
вимкнення живлення, у разі замикання на відкриту провідну частину чи захисний
провідник повинен виконати це вимикання так, щоб обмежити в часі існування
напруги дотику, величина якої може перевищити значення допустимої напруги
дотику.
Для звичайних (неспеціальних) електроустановок будинків і споруд
допустимою напругою дотику вважається величина 50 В (змінний струм) та 120 В
(постійний струм).
Відкриті провідні частини електроустановки за допомогою захисних
провідників повинні бути приєднані до системи заземлення з врахуванням
специфічних особливостей, які властиві застосованому типу системи заземлення.
Доступні одночасному дотику відкриті провідні частини індивідуально,
групами або всі разом повинні бути приєднані до однієї системи заземлення.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
Зм. Арк № докум. Підпис Дата 87
З погляду забезпечення електробезпеки системи заземлення TN, ТТ і IT,
як правило, можна вважати рівноцінними. Вирішальними факторами при виборі
того чи іншого типу системи заземлення для використання в конкретній
електроустановці є існуючі традиції (досвід експлуатації), умови експлуатації,
вимоги до надійності електропостачання, електромагнітної сумісності, пожежо- і
вибухобезпеки та вартість виконання системи.
У разі відсутності з боку власника електроустановки або експлуатуючої
організації або нормативного документа, який стосується цієї електроустановки,
вимог до застосування того чи іншого типу системи заземлення рекомендується,
як правило, застосовувати систему TN. При цьому перевагу слід віддавати
застосуванню систем TN-S і TN-C-S.
Залежно від улаштування нейтрального (середнього) і захисного
провідників система TN поділяється на три різновиди (типи):
- систему TN-C, в якій функції нейтрального (середнього) провідника і
захисного провідника в усіх частинах системи виконує один провідник;
- систему TN-S, в якій функції захисного провідника і нейтрального
(середнього) провідника (у разі його наявності) в усіх частинах системи
виконуються різними провідниками;
- систему TN-C-S, в якій система TN-C застосовується не в усіх частинах
системи захисного заземлення, а тільки в тій її частині, що починається від
джерела живлення.
У будинках (спорудах) з вбудованими або прибудованими трансфор-
маторними підстанціями слід, як правило, застосовувати систему TN-S.
У разі застосування системи TN-C-S поділ PEN-провідника на захисний і
нейтральний провідники повинен, як правило, виконуватися на вводі лінії
живлення в будинок (споруду).
Нульовим захисним провідником (PE – провідник в системі TN – S)
називається провідник, що сполучає частини, що зануляються (відкриті провідні
частини) з глухозаземленою нейтральною точкою джерела живлення трифазного
струму або із заземленим виведенням джерела живлення однофазного струму, або
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
88
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
із заземленою середньою точкою джерела живлення в мережах постійного
струму.
Нульовий захисний провідник слід відрізняти від нульового робочого і
PEN – провідників.
Нульовий робочий провідник (N – провідник в системі TN – S) – провідник
в електроустановках напругою до 1 кВ, призначений для живлення
електроприймачів, сполучений з глухозаземленою нейтральною точкою
генератора або трансформатора в мережах трифазного струму, з глухозаземленим
виведенням джерела однофазного струму, з глухозаземленою точкою джерела в
мережах постійного струму.
Суміщений (PEN - провідник в системі TN– C) нульовий захисний і
нульовий робочий провідник – провідник в електроустановках напругою до 1 кВ,
що суміщає функції нульового захисного і нульового робочого провідника.
2
1
Рисунок 6.1 - Принципова схема занулення в системі TN – S
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 89
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
1 – корпус електроустановки (електродвигун, трансформатор і т. п.); 2 –
апарати захисту від струмів КЗ (запобіжники): r0 – опір заземлення нейтралі
обмотки джерела струму; RП – опір повторного заземлення нульового захисного
провідника; Iк – струм КЗ; Iн – частина струму КЗ, що протікає через нульовий
захисний провідник; Iз – частина струму КЗ, що протікає через землю – корпус
електроустановки (електродвигун, трансформатор)
У кожному будинку (споруді) повинна бути виконана основна система
зрівнювання потенціалів, яку слід реалізувати шляхом приєднання до головної
заземлювальної шини електроустановки таких провідних частин:
- захисних провідників;
- заземлювальних провідників пристроїв захисного, функціонального та
блискавко-захисного заземлень, якщо такі пристрої в електроустановці будинку
(споруди) передбачені;
- металевих труб комунікацій, які входять у будинок (споруду) зовні:
холодного і гарячого водопостачання, каналізації, опалення, газопостачання (у
разі наявності ізолюючої вставки на вводі в будинок приєднання здійснюється
після неї з боку будинку) тощо;
- металевих частин каркаса будинку (споруди) і металевих конструкцій
виробничого призначення;
- металевих частин систем вентиляції і кондиціювання;
- основних металевих частин для підсилення будівельних конструкцій
таких, як сталева арматура залізобетону, якщо це можливо;
- металевих покриттів (оболонок, екранів, броні) телекомунікаційних
кабелів (при цьому слід прийняти до уваги вимоги власника зазначених кабелів
або організації, яка обслуговує ці кабелі, щодо такого приєднання).
Провідні частини, які входять у будинок (споруду) зовні, повинні бути
з'єднані з провідниками основної системи зрівнювання потенціалів якомога
ближче до точки вводу цих частин в будинок (споруду).
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
90
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
У системі TN всі відкриті провідні частини електроустановок споживачів
електроенергії за допомогою захисних провідників повинні бути приєднані до
точки мережі, яка заземлюється безпосередньо біля або на невеликій відстані від
джерела живлення.
Точкою мережі, яка заземлюється, повинна бути нейтральна або середня
точка джерела живлення. Якщо нейтральна або середня точка відсутня або
недоступна, заземлюється лінійний провідник.
Якщо існують інші точки надійного зв'язку з землею, для наближення у
разі замикання на землю значень потенціалів на захисному провіднику до
потенціалу землі рекомендується виконувати приєднання цього захисного
провідника (там, де це можливо) до зазначених точок (повторні заземлення).
Особливо ефективним з погляду електробезпеки є таке повторне
заземлення на вводі в електроустановку будинку або споруди (в більшій мірі у
разі живлення електроустановки повітряною лінією електропередачі).
Повторне заземлення на вводі лінії живлення в електроустановку будинку
(споруди) в більшості випадків забезпечується основною системою зрівнювання
потенціалів, до якої приєднані провідні частини, що мають контакт із землею.
Характеристики захисних пристроїв і повні опори кіл замикання (петлі
«фаза-нуль») повинні бути такими, щоб при незначному опорі в місці замикання
між лінійним провідником і відкритою провідною частиною або захисним
провідником була виконана умова:
Zs ⋅ Ia ≤ U0, (6.6)
де Zs – величина повного опору кола (петлі) замикання, яка включає
величини опорів джерела живлення, лінійного провідника до точки замикання та
захисного провідника між точкою замикання і джерелом живлення, Ом; Іа –
струм, який викликає автоматичне вимикання живлення захисним пристроєм за
час, що не перевищує наведений у таблиці 6.3, A; UО – номінальна напруга між
лінійним виводом джерела живлення електроустановки і землею, В.
Трифазні трансформатори із заземленою нейтральною точкою на стороні
низької напруги, які застосовуються для живлення електроустановок будинків і
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 91
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
споруд від мережі високої напруги, для забезпечення ефективності автоматичного
вимикання живлення повинні, як правило, мати схему з'єднань обмоток
«трикутник – зірка» або «зірка – зигзаг».
Як правило, захисний провідник повинен становити єдину
електропроводку з лінійними провідниками і бути мідним або алюмінієвим.
Активний опір провідників у процесі замикання в проектних розрахунках
допускається вважати сталою величиною (незалежною від зміни їх температури
внаслідок нагрівання), при визначенні якої слід приймати значення питомого
опору мідних провідників, що дорівнює 23⋅10 -6 Ом⋅мм, а алюмінієвих – 37⋅10 –6
Ом⋅мм (зазначені величини відповідають питомому опору при температурі
провідників близько 80°С).
Можливість використання для забезпечення автоматичного вимикання
живлення сталевих захисних провідників обмежена внаслідок великого значення
їх повного опору. У разі застосування такого захисного провідника при перевірці
виконання умови (6.6) слід також враховувати залежність активного та
індуктивного опорів цього провідника (прямокутної штаби, круглої сталі, труби,
профілю тощо) від густини струму, який може протікати через нього у випадку
замикання на відкриту провідну частину або захисний провідник.
Таблиця 6.4 - Максимальний час автоматичного вимикання живлення у
групових колах з робочим струмом до 32 А
Максимальний час вимикання в
Значення U0, електроустановках
В постійного
змінного струму, с
струму, с
50<U0≤120 0,8 -
120<U0≤230 0,4 5
230<U0≤400 0,2 0,4
U0 > 400 0,1 0,1
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 92
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
В електроустановках з системою TN цілісність (нерозривність) і
ефективність цієї системи в значній мірі залежать від надійності заземлення PEN-
та РЕ-провідників.
Коли місця заземлення PEN- та РЕ-провідників розміщені в мережі
державної або іншої організації, що здійснює електропостачання
електроустановок споживачів електроенергії, вжиття зовнішніх для цих
електроустановок заходів, які необхідні для забезпечення цілісності й
ефективності системи заземлення, належить до сфери відповідальності
електропостачальної організації.
В електроустановках із системою TN як захисні пристрої можуть бути
використані: пристрої захисту від надструму та пристрої захисного вимкнення
(ПЗВ).
Розрахувати систему заземлення для електроустановок, що живляться від
мереж з глухозаземленою нейтраллю напругою 380/220 В. Для розрахунку
заземлення необхідно розрахувати струм короткого замикання при пробою однієї
з фаз на корпус електроустановки і перевірити умови спрацювання захисту.
З урахуванням матеріалів провідників визначаємо опори фазних і нульових
провідників Rф, Rн, Xф і Xн на кожній ділянці схеми.
- для мідних і алюмінієвих
R ρ ⋅Li
ф,нi = (6.7)
Si
де ρ – питомий опір провідника,
алюмінієвий провідник – ρал = 0,028 Ом · мм2 / м
мідний провідник – ρм = 0,018 Ом · мм2 / м
Li – довжина провідника, м;
Si – переріз, мм2.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 93
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Таблиця 6.5 - Розрахункові параметри системи.
Потужність трансформатора живлення,
400
W, кВА
Номінальний струм пристрою захисту від
16
надструму, IПЗНС., А
Ділянка 1 АВБбШв 4*50
Тип кабелю
Ділянка 2 ВВГ 4*4
(проводу) та переріз (мм2)
Ділянка 3 ППВ 3*2,5
L1 50
Довжина проводу,
L2 40
м
L3 25
Активний опір провідників на першій ділянці:
R ρ ⋅ L1 0,028 ⋅50
ф,н1 = = = 0,028Ом
S 50
1
Індуктивний опір провідників на першій ділянці:
X ф,н1 = xал ⋅ L1 = 0,085 ⋅10−3 ⋅50 = 0,00425Ом
xал - індуктивний опір одиниці довжини алюмінієвого
провідника, мОм/м.
Активний опір провідників на другій ділянці:
R ρ ⋅ L
= 2 0,018 ⋅ 40
ф,н2 = = 0,18Ом
S2 4
Індуктивний опір провідників на другій ділянці:
X = x ⋅ L = 0,1⋅10−3
ф,н2 м 2 ⋅ 40 = 0,004Ом
xм - індуктивний опір одиниці довжини мідного провідника, мОм/м.
Активний опір провідників на третій ділянці:
R ρ ⋅L3 0,018 ⋅25
ф,н3 = = = 0,18Ом
S3 2,5
Індуктивний опір провідників на третій ділянці:
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
94
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
X = x ⋅ L = 0,095 ⋅10−3
ф,н3 м 3 ⋅ 25 = 0,002375Ом
Сумарний активний опір фазних провідників по всіх ділянках:
3
∑Rф = Rф1 + Rф2 + Rф3 = 0,028+ 0,18+ 0,18 = 0,388Ом (6.8)
1
Сумарний активний опір нульових провідників по всіх ділянках:
3
∑Rн = Rн1 + Rн2 + Rн3 = 0,028+ 0,18+ 0,18 = 0,388Ом (6.9)
1
Сумарний реактивний опір фазних провідників по всіх ділянках:
3
∑ X ф = X ф1 + X ф2 + X ф3 = 0,00425+ 0,004+ 0,002375 = 0,010625Ом (6.10)
1
Сумарний реактивний опір нульових провідників по всіх ділянках:
3
∑ X н = X н1 + X н2 + X н3 = 0,00425+ 0,004+ 0,002375 = 0,010625Ом (6.11)
1
Зовнішній індуктивний опір петлі «фаза-нуль»:
3
−3
X п = 0,6 ⋅ 2 ⋅∑Li ⋅10 = 0,6 ⋅ 2 ⋅( 50 + 40 + 25) ⋅10−3 = 0,138Ом (6.12)
1
Zп - опір петлі «фаза-нуль», що визначається по залежності:
3 4 3 4
Z 2
П = (∑Rфi +∑Rнi ) + (∑Xфi +∑Xнi + X 2
n ) Ом (6.13)
1 1 1 1
ZΠ = (0,388 + 0,388)2 + (0,010625 + 0,010625 + 0,138)2 = 0,7921Ом
Вибираємо з таблиці даних наближені значення повних опорів обмоток
масляних трансформаторів значення, з огляду на потужність трансформатора,
ZТ=0,195 Ом
Розрахунковий струм короткого замикання:
U 220
I ф
к.з = = = 256,68 А
(ZТ /3+ Z П ) 0,195 3 0,7921 (6.14)
+
Умова надійного спрацьовування захисту забезпечена:
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ
95
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Iк.з ≥1,5 ⋅ I ПЗНС
256,68А ≥ 1,5⋅16А
де 1,5 - коефіцієнт спрацювання захисту (автоматів захисту від надструмів)
Даний струм короткого замикання в мережі забезпечить спрацювання
пристроїв захисту від надструму за час, що не перевищує нормативні вимоги і
забезпечить захист працюючих від ураження електричним струмом.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 96
Зм. Арк № докум. Підпис Дата
Висновок
В даному дипломному проекті згідно технічного завдання була розроблена
конструкція акустичного профілографа, призначеного для виміру та реєстрації
глибини під колом судна з підвищеним дозволом по кутовій координаті.
У ході виконання дипломного проекту була розроблена структурна схема
профілографа, що відрізняється тим, що для обробки і реєстрації проходить
сигнал не першого, а наступних відображень, за рахунок чого і відбувається
підвищення дозволу по кутовій координаті. При цьому масогабаритні показники
антени вже на третім перевідбитті знижуються в чотири рази при тій самій
здатності, що дозволяє, що відповідно знижує витрати на виготовлення антени та
її стабілізацію.
Арк
СКРС-83ск.022.401.001 ПЗ 97
Зм. Арк № докум. Підпис Дата