1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 Технико-экономическое обоснование проекта
Общее кризисное состояние всей экономики страны еще в большей степени
относится к технике СВЧ, так как она в основном питалась военными заказами.
Поэтому в настоящее время основной задачей этой области техники является
развитие применений ее в мирных целях. Эти применения могут быть связаны с
переработкой информации (телевидение, связь, новые направления в медицине и
биологии) и с преобразованием энергии (ускорители заряженных частиц, нагрев
плазмы, диэлектриков, преобразование солнечной энергии). Наиболее важным в
настоящий момент являются применения, направленные на развитие новых
технологий и новых производств. Это прежде всего касается использование СВЧ
для нагрева диэлектриков в различных целях.
Наиболее широкая область применения техники СВЧ - ее использование в
бытовых целях, например производство магнетронов для бытовых микроволновых
печей. Однако в этой области иностранные фирмы ушли далеко вперед и без
серьезных вложений наша промышленность не сможет с ними конкурировать.
В этих условиях более целесообразным представляется развитие
технологических применений более мощных приборов СВЧ (более кВт), в
создании и производстве которых наша страна занимает передовые позиции. Для
разнообразных технологических процессов (сушки, размораживания,
вулканизации, пастеризации, спекания, разрушения твердых веществ, обжига и
многих других) требуется мощность от единиц до сотен киловатт в непрерывном
режиме. Применение микроволн позволяет оптимизировать технологический
процесс, достичь высокого качества продукта при минимальных энергозатратах
и меньшей металлоемкости технологического устройства. Использование
электроэнергии позволяет разумно и эффективно тратить природные
энергоресурсы (газ, нефть, уголь), не нанося дополнительного экологического
вреда. Наиболее экономично применение более коротковолнового диапазона, так
как мощность, выделяемая при нагреве диэлектрика пропорциональна частоте.
Специфическим требованием к приборам для промышленного применения
отвечают мощные магнетроны непрерывного действия. Они относительно дешевы,
обладают высоким КПД, сравнительно просты в эксплуатации и устойчивы к
изменениям согласования с нагрузкой. Однако в коротковолновом диапазоне
(12.5см) и при мощностях свыше 1кВТ они обладают рядом недостатков,
обусловленных особенностью их работы. В указанном диапазоне длин волн не
выпускают магнетроны мощностью свыше 10 кВт. Ограничения по мощности в
магнетронах связаны с тем, что потери выделяются непосредственно на аноде и
катоде, которые образуют пространство взаимодействия. Размеры пространства
взаимодействия ограничены длиной волны. Вследствие обратной бомбардировки
катода сокращается срок службы прибора. При мощностях свыше 1кВТ необходимо
водяное охлаждение. Это создает неудобства в эксплуатации и сокращает срок
службы из-за выхода из строя каналов охлаждения.
В связи с указанным недостатком магнетронов для технологических целей
стали разрабатывать многорезонаторные клистроны. У клистронов продольный
размер коллектора не связан с длиной волны. Поэтому при мощностях до 10 кВт
может быть использовано воздушное охлаждение. Применение воздушного
охлаждения предпочтительнее также в связи с тем, что горячий воздух
используется для дополнительного подогрева продукта. Разрабатываемые
клистроны имеют мощность 25-50 кВт при КПД=45-50% в диапазоне 2450 МГц [1].
Наибольшие успехи достигнуты в создании многолучевых клистронов . Клистроны
, разработанные отечественной промышленностью позволили достигнуть больших
успехов в снижении ускоряющего напряжения и стоимости. По сравнению с
магнетронами многолучевые клистроны позволяют значительно увеличить
долговечность и выходную мощность в коротковолновом диапазоне (12.5см) при
тех же, что и у магнетронов, величинах КПД и напряжениях. Однако даже
многолучевые многорезонаторные клистроны уступают магнетронам по габаритам,
весу, стоимости. Эти недостатки связаны с большим количеством резонаторов.
Во многом количество резонаторов определяется стремлением получить большие
значения коэффициента усиления и полосы, а в случае автогенератора их число
может быть уменьшено.
Для технологических целей возможно применение автогенераторов вместо
усилителей. При этом требования полосы и усиления отпадают и становится
целесообразной разработка автогенераторных клистронов с малым числом
резонаторов и большим КПД. Также автогенераторы будут лишены упомянутых
недостатков по сравнению с магнетронами, а отмеченные выше преимущества
клистронов тогда более ярко проявляются. Однако выпускаемые до сих пор одно- и двухрезонаторные клистроны имеют в лучшем случае КПД около 30%, а обычно
значительно ниже.
В связи со сказанным возникает задача заменить применяемый в
многорезонаторных клистронах процесс преобразования постоянного
электрического тока в переменный с помощью каскадного группирования другим
эффективным процессом, не требующим большого количества резонаторов.
Эффективное группирование может происходить в результате
взаимодействия электронов с полем резонатора при больших углах полета и
больших амплитудах напряжения. При этом вместо большого числа резонаторов
может быть использовано всего два или даже один резонатор, что позволяет
снизить габариты, массу и стоимость приборов.
До сих пор нет сведений о создании хотя бы экспериментальных
приборов, использующих протяженные пространства взаимодействия в
резонаторах. Для создания таких приборов, на кафедре электронных приборов в
течении последних лет, были проведены расчет и анализ электронных процессов
при больших углах пролета.
Основная задача этих работ состоит в повышении примерно в два раза
(на 25-30%) КПД однорезонатарных и двухрезонаторных клистронов и доведения
КПД примерно до 60%.
В соответствии со сказанным определяются следующие основные этапы
настоящей работы:
Проведение аналитического обзора по опубликованным работам и
проведенным на кафедре электронных приборов.
Ознакомление с методами расчета электронных электродинамических
процессов, внесение уточнений при выборе вычислительных параметров и
развитие этих методов в связи с возникающими задачами.
Расчет и анализ электронных процессов, что является основной задачей
проекта.
Рассмотрение принципов построения генераторов и эскизное
проектирование прибора.
В современных условиях разработка новых приборов должна вестись с
использованием максимального числа уже разработанных узлов и деталей,
поэтому проектирование прибора ведется на базе разработанной в НИИ "Исток"
многолучевой электронно-оптической системы. Последние обстоятельство
определило данные проектируемого прибора. Подводимая мощность определяется
параметрами двадцатичетырехлучевой ЭОС с микропервеансом одного луча Рм=0.3
мкА/В3/2 и напряжением U0=8 кВ, Р0=41 кВт. При общем КПД не менее 55%
выходная мощность составляет 22-25 кВт. Диаметр пролетного канала 3.5 мм,
коэффициент заполнения 0.6 при идеализированных условиях в пролетном
канале. Расчет проводился на частоте 2450 МГц.
Дипломный проект носит чисто исследовательский характер, поэтому
количественно определить экономический эффект невозможно.
2. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
2.1. Взаимодействие электронного потока с входным резонатором.
Эффективность взаимодействия электронов с полем зазора резонатора
принято характеризовать коэффициентом электронного взаимодействия M:
[pic] где ( - угол пролета электронов во входном зазоре.
Из этого выражения следует, что лучшее взаимодействие будет
происходить при ? близком к нулю. Рассмотрение процессов с точки зрения
осуществления прибора в целом приводит к заключению, что желательно
получение максимальной величины М2(, где [pic] - характеристическое
сопротивление резонатора. Почти во всех приборах, в которых происходит
взаимодействие электронов с полем зазора, используются углы пролета ?1((/2,
так как при этом величина М близка к 1, а М2((mах на рис.2.1 обозначена
область I значений ?, обычно применяемых в приборах.
Но параметр М не является единственным, по которому следует
определять рабочую область. Очень важна относительная величина первой
гармоники конвекционного тока I1max/I0 . Надо стремиться получить это
значение наибольшим для получения хорошего КПД прибора. Также важным
фактором является КПД зазора, который пропорционален электронной
проводимости с обратным знаком. Особенно это очевидно для схем
автогенераторов, в которых первый резонатор самовозбуждается. В дальнейшем,
вероятно, более целесообразно использовать другие параметры,
характеризующие электронный ток и его взаимодействие с СВЧ полем. Можно
использовать коэффициент качества, включающий относительную величину
минимальной скорости электронов.
[pic]
Рис.1. Зависимости электронного тока, коэффициента взаимодействия и
электронной провидимости и КПД от угла пролета.
Также, сгруппированный поток можно характеризовать распределением тока I
и скоростей электронов v внутри потока рис.2.2. Эта методика будет
учитывать не только степень группирования электронов, но и скоростное
распределение электронов в потоке. Это обстоятельство очень важно, так как
эффективность торможения электронов в выходном зазоре лучше, если сначала
идут медленные электроны, а затем быстрые. Такое распределение позволяет
равномерно затормозить электроны без выбрасывания части электронов назад.
Еще в сороковых годах в ряде работ отмечалось возможность повышения
электронного тока при наличии широкого входного зазора в сочетании с
большой амплитудой напряжения на этом зазоре. Таким образом, кроме
указанной области I на рис.2.1 возможно использовать еще области II и III
перспективные для создания приборов. До сих пор эти области для создания
приборов не использовались и задача настоящей работы состоит в исследовании
электронных процессов в этих областях и проектирование новых приборов на их
основе.
Увеличение I1max/I0 клистрона происходит при изменении формы кривой, по
которой сообщается скоростная модуляция электронов. Если бы скорости
изменялись не по синусоидальному закону, а линейно, то можно было бы
собрать в одном сечении все электроны с периода и тогда КПД был бы близок к
100%. Однако получить пилообразное напряжение на зазоре резонатора нельзя.
Можно приблизиться к этому закону, если одновременно на электронный поток
воздействовать напряжением первой и второй гармоник. На рис.2.3 приведена
диаграмма напряжения на зазоре первых двух гармоник и их суммы. Из рисунка
видно, что область фаз эффективного группирования для двухчастотной
модуляции значительно больше, чем при одночастотной модуляции. Эта идея
может быть реализована различными способами.
Были созданы многорезонаторные клистроны, имеющие один или два резонатора,
настроенных на вторую гармонику.
[pic]
Рис.2.3. К описанию электронного потока с помощью распределения тока и
скоростей.
[pic]
Рис.2.3 Изменение скоростей электронов при взаимодействии с полями первой
и второй гармоник и их суммы.
( - область фаз эффективного взаимодействия
Можно создать такой резонатор, у которого имелись бы две собственные
частоты, равные первой и второй гармонике электронного тока.
Другой способ, исследуемый в данной работе пока не нашел практического
применение основан на том, что при переменном напряжении на входном зазоре,
большем постоянного напряжения, тогда скоростная модуляция будет уже
несинусоидальная и содержит вторую гармонику.
Появление второй гармоники можно объяснить исходя из закона сохранения
энергии :
eU = eUo + eUmMsin(t, где Um - амплитуда переменного напряжения
U0 - ускоряющее напряжение eUmM = eUoUm/UoM = eUo2( ,
где [pic]- коэффициент скоростной модуляции. Из закона сохранения энергии :
[pic]
Таким образом, ( = (o(1 + 2vsin(t)1/2
Раскладывая выражение в скобках в ряд получим :
(1 + 2(sin(t1)1/2 = 1 + (sin(t - 1/2(2sin2(t
При Um100. Оно очень сильно
влияет на электронный поток. Достаточно сказать, что при начальном радиусе
пучка 1.05 мм через 10 мм пролета в резонаторе его радиус становится равным
0.1 мм. При этом коэффициент пульсаций достигает 10.5.
Величина поля необходимого для фокусировки зависит в основном от двух
факторов: напряженности поля и силы расталкивания пространственного заряда.
Напряженность электрического поля в выходном зазоре в выходном зазоре в
несколько раз больше чем во входном, т.к. входные зазоры широкие, а
выходные узкие.
Исходя из этого можно в начале прибора использовать меньшее магнитное
поле, а затем увеличить его до номинального. Было рассчитано несколько
вариантов такой схемы. Наиболее хороший результат дал вариант с резонатором
"("-вида с параметрами: d1=15.5 мм, d2=10 мм, L12=27 мм, (1=1.5, (2=-1.5,
на интервале 0-30 мм поле равно B2/U0 =84, а дальше поле равно B2/U0=140.
Полученные результаты приведены в табл.3.11. Для сравнения там же приведены
результаты для такого же клистрона , но с равномерным магнитным полем.
Полученный I1max/I0 является лучшим за весь период расчета. Видно, что с
равномерным полем результат хуже как по току так и по расстоянию Zopt .
Таблица 3.11.
Сравнительные результаты при неравномерном и равномерном магнитном поле
|Маг.поле |I1max/I0|Zopt |(е12 |(е3 |(е( |
|Неравномер. |1.7523 |58 |0.091 |0.6185 |0.708 |
|Равномерное |1.6623 |54 |0.089 | | |
Полученные результаты надо рассматривать, как прикидочные, т.к. малый
объем расчетов не позволяет говорить о том, что был достигнут максимум.
Вероятнее всего можно получить еще больший ток. Но поскольку получение
неоднородного магнитного поля вызовет усложнение конструкции было решено
пока остановиться на варианте с рвномерным магнитным полем. К тому же
рассматриваемое неравномерное магнитное поле имеет нереальное распределение
по Z в виде ступеньки. Поэтому полученные результаты лишь показывают
возможность улучшения параметров клистрона за счет применения неоднородного
магнитного поля.
В
1
0.6
0
30 Z
Рис.3.20. Схематическое изображение двухрезонаторного клистрона
с резонатором "(" - вида с (1(3/2(, с неоднородным магнитным полем
Зависимость угла пролета от ширины зазора.
|Угол пролета ( |Ширина реального |Теоретическая |Отклонение, % |
| |зазора, мм |ширина зазора, мм | |
|0 |0 |0 |0 |
|1.116( |10 |12.05 |20.5 |
|2( |19 |21.6 |13.7 |
|2.394( |21.5 |25.86 |20.3 |
|2.86( |23 |30.89 |34.3 |
угол пролета зазора для характерных точек; во втором столбике ширина
реального зазора, соответствующего данному углу пролета; и в третьем
столбике ширина зазора, соответствующая данному углу пролета, рассчитанная
теоретически по формуле: d=(v/(
На рис.3.8. изображен график зависимости эквивалентного угла пролета от
ширины зазора, построенный по данным таблицы 3.2. Пользуясь этим графиком
можно ориентировочно определять угол пролета и электронный КПД зазора. Для
этого для исходной ширины зазора определяется эквивалентный угол по графику
на рис.3.8 . Затем по формуле:
[pic]
определяется электронная проводимость, а по формуле:
[pic]
определяется электронный КПД зазора. На рис.3.7(б) пунктиром нанесена линия
КПД, рассчитанная по такой методике для (1 =1. Погрешность составляет 1-2%,
что говорит о возможности применения данной методики для оценочных
расчетов.
Аналогично по формуле:
[pic]
можно оценить значение коэффициента взаимодействия.
6. ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КЛИСТРОНА
Клистрон выполняется многолучевым, использует разработанную на
предприятии ЭОС с 24 лучами, сосредоточенными в центре резонатора, в
котором используется основной вид колебаний.
Прибор состоит из четырех основных узлов: резонаторная система,
катодный узел, коллекторный узел и вывод энергии.
Резонаторная система клистрона представляет собой два резонатора.
Первый резонатор имеет два высокочастотных зазора. Трубка дрейфа
поддерживается металлическим стержнем. На внутренней стенке резонатора
располагаются выступы, для получения заданной структуры поля. Они
образуются подбором размеров пролетных труб. Второй резонатор
однорезонаторный с узким зазором. Для эффективного отвода тепла корпус
резонатора, трубка дрейфа и держатель изготавливаются из меди типа МБ.
Выходной резонатор имеет отверстие для соединения с выводом энергии
баночного типа, который вакуумно уплотнен диэлектрической пластиной из
керамики марки 22ХС. Входной резонатор имеет вывод энергии с небольшой
связью в виде петли связи. Это позволяет контролировать работу генератора.
Для фокусировки электронного потока в приборе применена фокусирующая
система из постоянных магнитов. Для этого на входе и выходе резонаторного
блока припаиваются магнитные полюса из стали, на которые одеваются
кольцевые постоянные магниты.
Катодный и коллекторный узлы и вывод энергии взяты от готового
прибора, разрабатываемого промышленностью. Катодный узел имеет многолучевую
пушку с импергированным катодом, выполненным в виде отдельных спрессованных
таблеток, фокусирующий электрод и ножку. Фокусирующий электрод имеет свой
вывод. Подогреватель пушки изготавливается из вольфрама, остальные детали
из никеля и сплава марки 47НКД. Все диэлектрические детали изготавливаются
из керамики марки .
Размеры резонаторов (протяженность первого и второго зазоров, длина
трубки дрейфа, выступы) выбираются по расчетным данным, исходя из
оптимального КПД.
Коллектор, используемый в данном приборе предназначен для отвода 40
кВт мощности потерь с водяным охлаждением.
Катодный узел, коллектор и вывод энергии соединяются с резонатором с
помощью аргоно-дуговой сварки, что позволяет легко менять данные узлы при
выходе из строя без замены остальных узлов резонатора.
7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
7.1. Календарный план разработки
Планирование исследовательской работы заключается в составлении
календарного плана проведения исследовательской работы. Он отражает
перечень работ по этапам, строгую очередность в выполнении отдельных этапов
работы, сроки выполнения, количество и квалификацию лиц, занятых при
разработке темы.
В качестве метода календарного планирования выбран ленточный график,
приведенный на рис.5.1. Шифр проводимых работ дан в таблице 5.1.
Все работы, проводимые в ходе выполнения НИР можно разделить на три
периода:
подготовительный период.
экспериментальное исследование электронных процессов в приборе.
подведение итогов.
В данном дипломном проекте проводится численный эксперимент, то есть
расчет электронных процессов на ЭВМ.
На первом этапе были проведены следующие работы: - составление и
согласование ТЗ - подбор и изучение литературы - изучение особенностей
программы расчета электронных процессов
Во время второго этапа: - подготовка исходных данных - расчет
электронных процессов на ЭВМ - построение графиков - анализ полученных
результатов - оптимизация параметров на ЭВМ
Во время третьего этапа: - изучение конструкции прибора - изучение
технологии изготовления прибора - оформление графической части -
оформление, согласование и сдача отчета
7.2. Смета затрат на разработку
В затраты на проектирование входят:
1. заработная плата ИТР - дополнительная плата ИТР (15% от основной ЗП)
1. отчисления на социальные нужды (40.5% от суммы ЗП)
1. затраты на эксплуатацию ЭВМ в расчете 5000 рублей за 1 час машинного времени
1. накладные расходы, составляющие 100% от суммы заработной платы, социальных отчислений, затрат на эксплуатацию ЭВМ
1. прибыль составляет 20% от суммы предыдущих статей
1. НДС составляет 20% от суммы предыдущих статей
Заработная плата рассчитывается по формуле:
ЗП = ti * Tдн * q,
где ti - трудоемкость в днях
Tдн- дневная тарифная ставка q - количество исполнителей.
Дневная ЗП инженера = 9397 руб.
Дневная ЗП старшего инженера = 17417 руб.
Дополнительная ЗП = Основная ЗП * 0.15
Затраты на ЗП приведены в таблице 5.2.
Отчисления на социальные нужды = (ЗПосн+ЗПдоп) * 0.405 =
(638672+95801) * 0.405 = 297462 руб.
Затраты на машинное время = количество отработанных часов * стоимость
одного часа машинного времени = 160 * 5000 = 800000 руб.
Затраты на эксплуатацию ЭВМ приведены в таблице 5.3.
Накладные расходы = (ЗПосн + ЗПдоп + СОЦотч + МАШвр) * 1.00 =366387
Прибыль = (ЗПосн + ЗПдоп + СОЦотч + МАШвр + НАКЛрас) * 0.2
НДС = (ЗПосн + ЗПдоп + СОЦотч + МАШвр + НАКЛрас + ПРИБ) * 0.2
Смета затрат - в таблице 5.4.
7.3. Выводы по эффективности дипломного проекта
Так как тема данного дипломного проекта имеет теоретически-
исследовательский характер, то посчитать в денежном выражении и в
окончательном виде экономический эффект не представляется возможным. Но
можно дать предварительную оценку.
Проведение расчетов на ЭВМ позволяет сократить срок разработки
приборов, число разработчиков. Расчет геометрии на ЭВМ позволило свести к
минимуму количество экспериментальных макетов и значительно уменьшить
трудоемкость экспериментальных исследований.
Таким образом, использование ЭВМ в процессе проектирования приборов
дает основание ожидать высокую эффективность работ из-за сокращения затрат
на стадии разработки.
Затраты на эксплуатацию ЭВМ можно снизить за счет более детальной
подготовки исходных данных для расчета, тщательного продумывания
направления дальнейшего расчета и за счет использования ЭВМ с большим
быстродействием.
8. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ ПРОЕКТА
Анализ условий труда оператора вычислительной техники
с оценкой тяжести и напряженности труда
Согласно ГОСТ 12.0.002-74 опасным производственным фактором считается
фактор, воздействие которого приводит к травме. Вредный производственный
фактор - фактор, воздействие которого на работающего приводит к
заболеванию.
Операторы ЭВМ, операторы по подготовке данных, программисты и другие
работники ВЦ (вычислительного центра) сталкиваются с воздействием таких
опасных и вредных производственных факторов, как электрический ток,
повышенный уровень шума, повышенная температура окружающей среды,
отсутствие или недостаток естественного света, недостаточная освещенность
рабочей зоны, психофизические факторы (напряжение зрительных и слуховых
анализаторов, умственное напряжение) и др.
В ГОСТ 12.0.003-74 дается классификация опасных и вредных
производственных факторов, которые по природе воздействия делятся на
следующие:
физические;
химические;
биологические;
психофизиологические.
К первым трем относится ряд опасных факторов.
а) Высокое значение напряжения в электрической цепи.
Эксплуатация оборудования машинного зала связана с применением
переменного электрического тока напряжением 220В,частотой 50Гц. Ток именно
такой частоты наиболее опасен для жизни человека. Электрический ток,
проходя через организм, оказывает термическое, электролитическое и
биологическое воздействие, вызывая местные и общие электротравмы. Местные
травмы подразделяются на: электрические ожоги, электрические знаки,
металлизацию кожи, механические повреждения, электро-офтальмию. Общие
электротравмы или электрические удары по тяжести делятся на четыре степени:
1 степень - судорожное сокращение мышц без потери созна-ния;
2 степень - сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившемся дыханием
и работой сердца;
3 степень - потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания
(или того и другого сразу);
4 степень - клиническая смерть.
б) Повышенный уровень статического электричества.
Электризация - это комплекс физических и химических процессов,
приводящих к разделению в пространстве зарядов противоположных знаков или к
накоплению зарядов одного знака. Суть электризации заключается в том, что
нейтральные тела, не проявляющие в нормальном состоянии электрических
свойств, в условиях отрицательного контакта или взаимодействия становятся
электрозаряженными. На рассматриваемом рабочем месте оператора ЭВМ
электризация (повышенный уровень статического электричества) возникает на
поверхности экранов видеомониторов при длительной их работе и на анодном
электроде электронно-лучевых трубок этих устройств. Статическое напряжение
на них может достигать 11 кВ. Статическое электричество оказывает вредное
воздействие на организм человека, причем не только при непосредственном
контакте с зарядом, но и за счет действия электрического поля, возникающего
вокруг заряженных поверхностей.
в) Повышенный уровень шума на рабочем месте.
Шумом называется всякий неблагоприятно действующий на человека звук.
Обычно шум является сочетанием звуков различной частоты и интенсивности.
Требования к шуму определяются СНиП 11-12-77 и СН-512-78. В помещениях
программистов и операторов видеотерминалов уровень звука не должен
превышать 50дБа. Многочисленными исследованиями установлено, что шум
является общебиологическим раздражителем и в определенных условиях может
влиять на все органы и системы организма человека. Исследованиями последних
лет установлено, что под влиянием шума наступают изменения в органах зрения
человека(снижается устойчивость ясного видения и острота зрения, изменяется
чувствительность к различным цветам и др.) и вестибулярном аппарате;
нарушаются функции желудочно-кишечного тракта; повышается внутричерепное
давление; происходят нарушения в обменных процессах организма и т.п. На
рассматриваемом месте работы оператора ЭВМ на него действует непостоянный
прерывистый шум, производимый следующими устройствами: кондиционеры
воздуха, вентиляторы систем охлаждения аппаратуры, принтеры. Такой шум
ухудшает точность выполнения рабочих операций, затрудняет прием и
восприятие информации (слежение, сбор информации, мышление).
г) Повышенная температура окружающей среды, влажность.
Система кондиционирования, вентиляции и отопления должна
соответствовать ГОСТ 12.1.005-88, СНиП 11-33-75 и СН-512-78.Система
кондиционирования машинного зала ВЦ должна быть рассчитана на обеспечение в
теплый период года температуры23-25 градуса, влажности 40-60 процентов и
скорости движения воздуха 0,1-0,2 м/с. В холодный период года температура
не должна быть меньше 22-24 градуса. Повышенная температура воздуха и
влажность может привести к нагреву тела человека, как следствие этого
возникает быстрая утомленность, головокружение. Источником повышенной
температуры является разнообразная аппаратура.
д) Отсутствие или недостаток естественного света и недостаточная
освещенность рабочей зоны.
Система освещения на ВЦ должна удовлетворять требованиям СНиП 11-4-
79. Рекомендуется применять систему комбинированного искусственного
освещения с использованием люминесцентных ламп типа ЛБ и светильников
отраженного или рассеянного светораспределения (тип УСП-5.2х40, УСП-35-
2х40, ЛВ003-2х40-002), расположенных в равномерном прямоугольном порядке.
Аномальное освещение рабочего места может привести к снижению зрения,
головной боли, преждевременному утомлению. Источником этого является
неправильное расположение источников света.
8.1. Последствия психофизических перегрузок оператора
Психофизиологические опасные и вредные производственные факторы по
характеру их действия подразделяются на физические и нервно-психические
перегрузки. На рабочем месте оператора ЭВМ действуют в основном только
нервно-психические перегрузки.
а) Умственные и эмоциональные перегрузки. Обусловлены спецификой
труда оператора ЭВМ. При умственной работе, по сравнению с физической,
потребление кислорода мозгом увеличивается в 15-20 раз. Если для умственной
работы требуется значительное нервно-эмоциональное напряжение, то возможны
изменения кровяного давления, пульса. Длительная работа такого характера
может привести к заболеваниям, в частности сердечно-сосудистым и некоторым
другим.
б) Перенапряжение анализаторов. На рабочем месте оператора ЭВМ
возможно перенапряжение органов зрения, вызываемое применением дисплеев с
низким разрешением, не отрегулированных по яркости и контрастности, а также
неправильной их установкой относительно окон и осветительных приборов. В
связи с этим, немаловажное значение имеет задача планирования процесса
труда, с целью не допустить перенапряжения органов чувств, которое может
привести к стрессам.
Таблица
Матрица опасности для выявленных опасных и вредных производственных факторов представлена в таблице.
|источник |Повыш.|статич. |Шум |умств. и |Перенапр.|
|опасности |Напряж|Эл-во | |эмоц-ные |органов |
| |ение | | |перегруз. |чувств |
|сеть |# | | | | |
|электропитания | | | | | |
|Принтеры | | |# | | |
|Кондиционеры | | |# | | |
|Вентиляторы | | |# | | |
|Видиомониторы | |# | | |# |
|Специфика труда | | | |# | |
8.2. Пожарная безопасность в вычислительных центрах
Источником пожара в помещении, где находится ПЭВМ, может быть
короткое замыкание, перегрузка соединительных проводов сети, возникновение
больших переходных сопротивлений. При коротком замыкании и перегрузке
температура перехода тока с одного провода на другой повышается и
происходит воспламенение изоляции. Пределы огнестойкости строительных
конструкций, эвакуационные пути, конструктивно-планировочные решения
регламентированы в СН и П 2-01.02-85. Исключительно важное значение для
предотвращения электротравматизма имеет правильная организация обслуживания
действующих электроустановок, четкое и своевременное проведение ремонтных и
профилактических работ.
8.3. Выбор системы кондиционирования и расчет числа кондиционеров
Дипломный проект был написан в помещении 4 ПЭВМ. Около входной двери
находится углекислый огнетушитель. Для отопления помещения в холодный
период года предусмотрена водяная система отопления. Наряду с естественным
освещением в темное время суток применяется люминесцентная система
освещения. Для кондиционирования в помещении с ПЭВМ необходимы
кондиционеры.
Для кондиционирования используются бытовые кондиционеры БК. Их
устанавливают в окнах и воздух подается непосредственно в помещение.
Минимальное количество наружного воздуха, подаваемого в помещение,
должно быть не менее необходимого по санитарным нормам подачи на 1 час, что
составляет 30 кг/ч. В связи с этим минимальное необходимое количество
наружного воздуха GHmin=30*n кг/ч, n-число рабочих (n=4).
Ghmin = 30*4 = 120 кг/ч.
В рассмотренной схеме организации воздухообмена весь воздух,
проходящий через кондиционер, считается наружным. Наружный воздух с
расчетной температурой tн=28.50С охлаждает кондиционером до tк, а затем
нагревается до tвн - температуры помещения. При расчете числа кондиционеров
следует решить систему уравнений:
3600*Qэвм=N*r*Gк*Cк*(tвн-tк)
3600*Qк=r*Gк*Cк*(tн-tк)
где N-число кондиционеров, r-средний расчетный удельный вес воздуха, r=1.2
кг/м3 Gк - производительность кондиционера по воздуху, м3/ч Ск - средняя
теплоемкость охлаждающегося воздуха, кДж/кг*0С
Ск=1.005+1.8d
где d=623*fк*рк/(В-fк*рк), рк - упругость насыщенного пара при температуре
tк.
Зависимость р от t приведена в таблице, где fк - относительная
влажность в долях, В=993 Гпа - полное барометрическое давление, Сн
выбирается аналогично Ск при рн и fн.
Выбираем по таблице кондиционер БК-1500. Для него Gк=400 м/ч, Qк=1.74
кВт. QЭВМ - результирующее тепловыделение в машинном зале. Мощность средств
вычислительной техники по технической документации составляет 7.5 кВт.
Тепловыделение человека 75 Вт. Общее тепловыделение n*75=300 Вт.
Тепловыделение от источников освещения составляет n*65 Вт, где n-количество
источников освещения, n=16, общее тепловыделение 65*16=1040 Вт. Находим
QЭВМ:
QЭВМ=7.5+0.3+1.04=8.34 кВт.
Параметры tвн, fвн определяются на основе ГОСТ 12.1.005-88.
Примем tвн=240C, fвн=50%, tк задается с учетом того, что перепад
температур ЭВМ не должен превышать 150С. Относительная влажность fк должна
быть порядка 75-80% . Расчетная температура наружного воздуха для теплого
периода года составляет tн=28.50С.
Расчет числа кондиционеров выполняется для трех значений
относительной влажности наружного воздуха fн-40, 60, 80%.
По формулам (7.3) и (7.4) определяется Ск:
Ск=1.005+1.8*(623*0.75*23.38/993-0.75*23.38)=21.16 кДж/кг*0C
Аналогично определяется значение Сн.
Для f=40% :
Cн=1.005+1.8*(623*0.4*38.91/993-0.4*38.91)=18.86 кДж/кг*0C
Для f=60% Cн=28.004 кДж/кг*0C.
Для f=80% Cн=37.29 кДж/кг*0C.
Требуемое число кондиционеров
N=int{3600*Qэвм/1.2Gк*Cк(tвн-tк)}+1
При tн=28.50C принимаем tк=200C, tвн=240C, fк=75%, fк=50%
Cк=1.005+1.8(623*0.75*23.38/993-0.75*23.38)=21.16 кДж/кг*0C
N=int{3600*Qэвм/1.2Gк*(tвн-tк)}+1=1.73,
следовательно, N=1.
Число кондиционеров должно обеспечить необходимую производительность
по холоду Qк
Qк=r*Gк*Cн(tн-tк)/3600
Определяем Qк: fн=40% , Сн=18.86
Qк=12*400*18.861(28.5-20)/3600=21.375 кВт,
fн=60% ,Cн=28.004 Qк=31.73 кВт
fн=80% ,Cн=37.28 Qк=42.26 кВт
Во всех трех случаях выполняется условие Qк>Qктабл Qктабл=1.74 кВт.
Проверим соответствие количества наружного воздуха санитарным нормам.
Производительность по воздуху
Gн=N*Gк=1*400=400 м3/ч
Условие Gн>Gн мин (Gн мин=240 кг/ч) выполняется, следовательно, число
БК-1500 можно принять равным 1
Бытовой кондиционер БК-1500 используется для ПЭВМ и СМЭВМ.
Устанавливается в окнах и подает обработанный наружный воздух
непосредственно в зал.
В процессе выполнения НИР необходимо, чтобы деятельность человека не
сопровождалась вредным воздействием на среду обитания. Для этой цели
необходимо избежать попадания во внешнюю среду отходов производства и
вредных веществ. Для этого необходимо обеспечить герметичное хранение
вредных веществ. Отходы производства собирать в специальные контейнеры и
вывозить к месту переработки или уничтожения. При наличии большого
количества вредных паров, образующихся при пайке, вентиляционные отверстия
и шахты должны быть снабжены специальными фильтрами, задерживающими
проникновение паров во внешнюю среду. В особых случаях следует применять
химические нейтрализаторы.
В заключении следует отметить, что данный дипломный проект является
безопасным в экологическом плане и при соблюдении требуемых норм
безопасности при работе с ПЭВМ и периферийными устройствами не представляет
опасности для жизни оператора ЭВМ. Кроме того используемые при
проектировании технические средства не приводят к загрязнению окружающей
среды и обострению экологической обстановки. Важное значение для
предупреждения потенциально опасных для жизни человека факторов заключается
в правильной организации работы на ЭВМ, в своевременном обслуживании
действующих электроустановок.
9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассчитан и спроектирован автогенераторный клистрон с электронным КПД
в выходном зазоре равным (е3=0.62 и общим электронным КПД (е(=0.65. Для
двухрезонаторного клистрона с тремя зазорами это является хорошим
результатом. Это на 30-35% больше, чем у приборов выпускаемых
промышленностью. Вместе с тем еще остаются возможности для последующего
повышения КПД.
Вероятнее всего они связаны с исследованиями широкого зазора с (1(3(
с неравномерным электрическим полем. Результаты полученные при расчете
электронного тока позволяют надеяться на повышение КПД
Интересные перспективы открываются при использовании неоднородного
магнитного поля. Уже рассчитан прибор с I1max/I0=1.75 и общим КПД (е(=0.7.
Но усложнение конструкции вызванное неоднородным магнитным полем вынудило
пока не считать ее в качестве основного варианта . В дальнейшем упомянутые
конструкции будут дорабатываться.
10. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Артюх И. Г. Мощные микроволновые электровакуумные приборы для систем связи и промышленного применения // Электронная промышленность - 1991. -
№6 - 57 c.
1. Gebauer R. Wiss. Voroff. d.Texhnixhen Hochxhule Darmstadt. - 1, 65
(1947); 1, 97, 1949
1. Клистроны. Перевод с английского - М: Советское радио. - 1952. - 129 c.
1. Solimar L. Extension on the one-dimension (klistron) Solution to finite gaps // J. Electron Contr. - 1961. - V11, №5. - p.361-383; 1962. - V12,
№4. - p.313-314.
1. Хайков А. З. Клистронные усилители. - М.: Связь , 1974. - 392 с.
1. Федяев В. К. Расчет группирования электронов в клистронах с длинными зазорами // Известия ЛЭТИ - 1966 - Вып. 62. с.287-300
1. Канавец В. И., Лопухин В. П., Сандалов А. П. Нелинейные процессы в мощных тногорезонаторных клистронах и оптимизация их порпметров //
Лекции по электронике СВЧ. Книга 7. Изд. Саратовского университета,
1974.
1. Панов В. П., Сметанина Л. Ю., Юркин В. И. Расчет электронных процессов в двухрезонаторном клистроне с широким входным зазором // Электроника.
Рязань: РРТИ , 1978. с.3-6.
1. Костиенко А. И., Пирогов Ю. А. Взаимодействие электронного потока с полем СВЧ в широком плоском зазоре , возбужденном на высшем типе колебаний // Радиотехника и электроника. 1962 - Вып. 2 - с. 332-338
1. Исследование процессов , связанных с взаимодействием электронов с СВЧ полем широкого входного зазора при больших амплитудах. Научн.рук. Панов
В.П. Отчет / РГРТА. - Рязань. - 1994. - 36 с.
1. Исследование процессов взаимодействия электронов с полем резонатора при временах пролета, превышающих период колебаний и возможности создания новых генераторов СВЧ. Науч. рук. Панов В. П. Отчет / РГРТА. - Рязань. -
1994. - 22 с.
1. Взаимодействие сгруппированного электронного потока с полем высокочастотного зазора // Панов В.П., Буланкин В.А., Кутузова И.В.,
Юркин В.И.
1. Федяев В. К. Двухмерная модель электронного потока из деформируемых элементов // Вакуумная и плазменная электроника: Межвуз. сб. / Рязань:
РРТИ - 1986 - с. 96-100
1. Федяев В. К., Юркин В. И. Программа анализа двухмерных динамических процессов в клистронах // Вакуумная и плазменная электроника: Межвуз. сб. / Рязань: РРТИ - 1986 - с. 101-105
1. Кацман Ю. А. Приборы СВЧ. - М.: Высш. шк., 1983. - 368 c.
1. Панов В. П. Направления развития и особенности клистронов //
Методические указания. Рязань: РРТИ - 1991. - 36 с.
1. Лебедев Н. В. Техника и приборы СВЧ, т. 2. - М.: Энергия , 1964. - 375 с.
1. Панов В. П. Пространственный заряд в клистронах // Методические указания. Рязань: РРТИ - 1990. - 24 с.
1. Панов В. П., Кутузова И. В. Взаимодействие несгруппированного электронного потока с ВЧ полем зазора // Электронные приборы : Межвуз. сб. / Рязань: РРТИ - 1992 с. 93-96
1. Панов В. П., Кутузова И. В., Юркин В. И. Коэффициент электронного взаимодействия выходного зазора клистрона // Электронные приборы :
Межвуз. сб. / Рязань: РРТИ - 1992 - с. 91-93
1. Панов В. П., Соломенников Г. В., Погорельский М. М. Дипломное проектирование // Методические указания. Рязань: РРТИ - 1989. - 28 с.
1. Панов В. П., Федяев В. К., Шишков А. А. Разработка новых конструкций , методов и программ расчета клистронов // Электросвязь 1992- № 4 - с. 39-
40
1. Расчет и исследованиелектронных процессов в динамическом режиме работы приборов: Отчет о НИР / РРТИ ; Руководитель В. П. Панов. - № 423834.
УДК 621.385.624. - Рязань, 1975. - 87 c.