СОДЕРЖАНИЕ
Содержание…………………………………………………………………….………………….
Введение…………………………………………………………………………………….……..
Innroduction…………………………………………………………………………………………
1 Обзор методов построения измерителей отношения………………………………..….
1.1 Анализтребований технического задания………………………………………….
1.2 Методы измеренияотношения……………………………………….………………1.2.1 Мостовой метод…………………………………………………………….……
1.2.2 Логарифмический метод……………………….……………………….………
1.2.3 Применение АРУ для нахождения отношениянапряжений…………..…
1.2.4 Разносный метод нахождения отношения напряжения……………..……
1.2.5 Цифровой метод измеренияотношения………………………….………...
1.3 Методы построения усилителейпостоянного тока………………………………..
1.3.1 Дрейф нуля в усилителях постоянноготока…………………………………
1.3.2 Стабилизация точки покоя втранзисторных каскадах………………..…..
1.3.3 Дифференциальные каскады……………………………………………………
1.3.3 Усилителипостоянного тока с преобразованием частоты
усиливаемыхсигналов………………………………………………….………
1.4 Выводы……………………………………………………………………………………
2 Разработка принциповпостроения измерителя отношений………………………….…
2.1 Функциональнаясхема………………………………………………………………….
2.2 Выбор типамикропроцессора………………………………………………………….
2.3 Оценка погрешностиизмерения отношения……………………………………..…
3 Разработка и расчетузлов принципиальной схемы………………………………………
3.1 Коммутаторсигналов………...………………………………………………………….
3.2 Предварительныйусилитель…………………………………………………………..
3.3 Усилитель суправляемым коэффициентом передачи……………………………
3.4 Фильтр нижних частот……………………………………………………………….…..
3.5 Цифровой фильтр………………………………………………………………………..
3.6 Дискретное преобразование Фурье….……………………………………………...…
4Конструкторско-технологический раздел…………………………………………………
4.1Анализ условий проектирования………...………………………………………..……
4.2 Выбор общей компоновкиразрабатываемого устройства ………………………
4.3 Выбор параметров печатного монтажаблока аналоговой обработки …………
4.4 Разработка конструкции корпуса ………………………………………………..……
4.5 Выбор системы амортизации ………………………………………………………....
4.6 Расчет показателей надежности………………………………….………………..…
4.7 Разработка технологии сборкипечатного узла………………………………..……
5 Технико–экономическоеобоснование…………………………………………….……….. .
5.1 Маркетинговые исследования………………………………………………………….
5.2 Расчет капитальных итекущих затрат, связанных с разработкой
и изготовлениемизделия ………….…………………………………………………….
5.3 Формирование цены………………………………………..…………………………...
5.4 Расчет затрат приэксплуатации устройства измерения отношения напряжений на основемикропроцессорного вычислителя…………………..…..
5.5 Определение экономической эффективности ..…………………………………….
6 Охрана труда и окружающейсреды ……………………………………….…….…………. .
6.1 Анализ условий трудапри производстве устройства измерения
отношения напряжений наоснове микропроцессора.……………………….………….
6.1.1Освещение………………………….…………………………………………..
6.1.2 Шум ивибрация………………………………….…………………………….
6.1.3Пожаробезопасность………………………………….………………………
6.1.4 Метеорологическиеусловия……………….………………………………..
6.1.5 Эргономика итехническая эстетика…………..……………………………
6.1.6Электробезопасность……………………………..…………………………..
6.2 Расчет зануления………….………………………….………………………………….
6.3 Охрана окружающейсреды……………………………..……..………………….……
7 Гражданская оборона…………………………………………………….…………………… .
7.1 Оценка устойчивости производстваизмерителя отношения
напряжений при загрязнениирадиоактивными веществами после
аварии на АЭС……………………………………………………………….…………..
Выводы………………………………………………………….…………………………………..
Переченьссылок……………………………………………….………………………………….
Приложение………………………………………………………………………………………..
1 ОБЗОР МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ОТНОШЕНИЯ
1.1 Анализ требований технического задания
В данной работе требуется разработать микропроцессорный измерительотношения напряжений, в основном предназначенный для использования в качествепрецизионного средства измерения при исследовании параметров СВЧ узлов.Разрабатываемый прибор призван заменить широко используемые для этих целейприборы В8-6, В8-7, которые в настоящее время морально устарели и иххарактеристики уже не обеспечивают современным требованиям. Кроме тогоразрабатываемый прибор может найти широкое применение в других областях,связанных с контролем относительных изменений параметров различных объектов, атакже с контролем параметров технологических процессов.
Приборы В8-6 и В8-7 по своему принципу действия обеспечиваютпоследовательное измерение отношения. Т.е. на один и тот же вход подаетсясначала больший сигнал, измерительный канал калибруется, а затем подаетсявторой сигнал и только после этого измеряется отношение. Разрабатываемыйприбор, в отличие от вышеуказанных, по своему принципу действия долженобеспечивать параллельное измерение отношения. Это значит, что у него должнобыть предусмотрено два входа, на которые будут подаваться одновременно оба сигнала.При этом измерение отношения будет проводиться в автоматическом режиме вреальном масштабе времени. Такой подход позволяет увеличить производительностьизмерений и исключить процедуру калибровки при каждом измерении без потериточности.
В соответствии с техническим заданием разрабатываемый прибордолжен обладать широким диапазоном измеряемых отношений: 60 дБ. Причем в этомдиапазоне должна обеспечиваться высокая точность измерений. В связи с этим вработе необходимо рассмотреть различные способы измерения отношений, выбратьнаиболее приемлемый в этом смысле и обеспечить его реализацию на соответствующей элементной базе.
В соответствии с техническим заданием разрабатываемый прибордолжен обладать широким динамическим диапазоном входных напряжений: 60 дБ. Всвязи с этим необходимо провести анализ способов расширения динамическогодиапазона входных сигналов, выбрать наиболее приемлемый и осуществить егореализацию. Последнее можно обеспечить усилителем с управляемым коэффициентомусиления.
Так как в соответствии с техническим заданием прибор долженизмерять отношение сигналов постоянного напряжения, то в разрабатываемомприборе необходимо использовать усилитель постоянного тока. Усилителями постоянного тока называют усилители,усиливающие сколь угодно медленные электрические колебания. Так как усилительпостоянного тока усиливает как переменную, так и постоянную составляющиевходного сигнала, при отсутствии сигнала на входе усилителя на его выходедолжна отсутствовать как переменная, так и постоянная составляющие напряжения;в противном случае нарушится пропорциональность между выходным и входнымнапряжениями сигнала. Основной проблемой, которую следует решать припроектировании таких усилителей, – это уменьшение дрейфа нуля. Дрейф нуля,который присущ этому классу усилителей, может существенно повлиять наметрологические характеристики разрабатываемого устройства. Поэтому в даннойработе необходимо провести анализ методов построения усилителей постоянноготока и методов борьбы с дрейфом нуля, выбрать и реализовать вариант,обеспечивающий требования технического задания.
В соответствии с техническим заданиемминимальная величена входного сигнала Umin=10мкВ.При таком малом уровне сигнала на ряду с дрейфом нуля негативное влияние нарезультат измерения будут оказывать шумы. Поэтому для выполнения требованийтехнического задания необходимо проанализировать возможные пути шумоподавления,выбрать и реализовать в проекте наиболее оптимальный вариант.
1.2 Методы измерения отношения
Классификацияизмерителей отношения в зависимости от выполняемых функций зависит от видавходных и выходных преобразователей [1,2]. Основные показатели: динамическийдиапазон, погрешность деления и быстродействие, в основном определяютсяпараметрами делительных схем. Измерители отношения в общем виде можноклассифицировать по выполняемым ими функциям на измерители отношенияэлектрических и неэлектрических величин. В обоих случаях приборы различаютсятолько входными преобразователями. Измерители отношения электрических величин повиду сигнала разделяют на измерители отношения постоянного и переменного тока.В свою очередь последние делят на импульсные, низкочастотные и высокочастотные.В зависимости от полосы частот различают узкополосные и широкополосные. Ихтакже можно разделить по динамическому диапазону и быстродействию. В связи сэтим важно разобраться в свойствах существующих делительных схем с тем, чтобыдля требуемой измерительной задачи выбрать наиболее оптимальную. 1.2.1Мостовой методПростейшая схемапозволяющая найти отношение двух напряжений представляет собой перестраевоемоесопротивление позволяющее установить баланс моста [1]. Данная схемапредставлена на рисунке 1.1./> />
Рисунок1.1 — Мостовая схема измерения отношения напряжения
В случае, когда схема сбалансирована,т. е. измерительный прибор (И) показываетнуль, будет иметь место равенство [1]:
/>. (1.1)
Посленесложного преобразования получим
/>. (1.2)
Из формулы(1.2) видно, что отношение сопротивлений при условии баланса является меройизмеряемого отношения напряжений. Следовательно, отградуировав переменноесопротивление соответствующим образом можно определять отношение подаваемых насхему напряжений путём балансировки схемы.
Однако,данная схема крайне непроизводительна, т. е. обладает малым быстродействием,так как требует постоянной балансировки. Дополнительным источником погрешностислужит неточность балансировки, возникающая вследствие усталости оператора.
1.2.2 Логарифмический метод
Существует множество различных методовнахождения отношения напряжений, которые выполняют операцию деления двухэлектрических величин при помощи моделирования промежуточных математическихопераций [1]. Характерным примером устройств такого типа являются делительные схемы,использующие известные из элементарной математики соотношения
/>; (1.3)
/>. (1.4)
Логарифмированиенезависимых переменных x1 и x2 и последующее вычитание обеспечивают выполнениеоперации деления в логарифмическом масштабе.
Логарифмическиеделительные схемы различаются в основном видом логарифмическогопреобразования, от которого в значительной степени зависят точность,динамический диапазон и сложность логарифмических делительных схем. Структурнаясхема измерителя отношения основанная налогарифмическом методе представлена на рисунке 1.2. /> /> /> /> /> />
Рисунок 1.2 – Структурная схема логарифмическогоизмерителя отношения
В основномлогарифмические схемы предназначены для определения частного от деления двухпостоянных напряжений. Для реализации данного метода можно использоватьлогарифмические усилители, цепи, работа которых обоснована на линейно-кусочнойаппроксимации, операционные усилители с нелинейной экспоненциальной обратнойсвязью.
В качестве экспоненциальных элементов,выполняющих логарифмическое преобразование сигнала, можно использоватькремневые p-n переходы. В кремневых диффузионных мезатранзисторах, а также втранзисторах планарной конструкции коэффициент α не зависит от величинытока и близок к единице. Если прямое напряжение наp-n переходе превышает 100 мВ, тогда можно аппроксимировать их вольтампернуюхарактеристику выражением
/> , (1.5)
где Iк — токколлектора, Iэо – начальный ток эмиттера, α – параметр p-n перехода, Uбэ – напряжение между эмиттером и базой.Экспоненциальная характеристика сохраняется в интервале изменения токов до пятидекад. Это позволяет реализовать деление напряжений в широком динамическомдиапазоне.
1.2.3 Применение АРУ для нахождения отношения напряжений
Существует большой класс элементов,коэффициенты передачи которых зависят от управляющего воздействия. Практическивсе известные виды характеристик регулирования коэффициентов передачи различныхэлементов можно выразить в общем виде зависимостью
/>, (1.6)
где k0– начальный коэффициент передачи, S(up) =dk(up)/dup – крутизна управления коэффициентомпередачи, up– управляющее напряжение.
Посколькукоэффициент К0может приниматьзначения от нуля до любой положительной величины, а S(up) может быть любой функцией аргумента up при любом его знаке, то очевидно, чтовыражение (1.6) справедливо для всех возможных реализаций элементов срегулируемым коэффициентом передачи. Когда начальный коэффициент передачи Ко равен нулю, акрутизна S(up) имеет отрицательную величину, независящую от up, получаем выражение коэффициентапередачи множительной схемы.
Рассматриваяработу схемы с двумя управляемыми элементами, которая изображена на рисунке1.3, можно доказать, что при выполненииопределённых условий, напряжение u3 будет равно[1]:
/> . (1.7)
Эти условия сводятся к тому, что дляправильного деления необходим бесконечный коэффициент усиления замкнутой цепиАРУ, что в основном обеспечивается увеличением коэффициента усиления обратнойсвязи, а характеристики регулирования обоих управляемых элементов должны бытьстрого идентичными.
/>/>
СС
УЭ1 U2 U’ E0
/>/>
/> Up у ΔU /> />
УЭ2
/>U1 U3
Рисунок1.3 — Структурная схема измерителя отношения напринципе АРУ
.Надо отметить, что требования к видузависимости k(up) отсутствуют. Это позволяет применятьлюбые элементы с управляемым коэффициентом передачи, лишь бы их характеристикиуправления были идентичными.
Но идеального совпадения характеристикрегулирования двух элементов, равно как и бесконечного коэффициента усилениязамкнутой системы АРУ, добиться нельзя. Этим и объясняется появлениесистематических погрешностей. Так можно доказать, что для получения погрешностиделения порядка 2% требуется совпадение характеристик не хуже 1% во всёмдинамическом диапазоне [1], что вряд ли может бытьреализовано.
1.2.4 Разносный метод нахождения отношения напряжения
Для измерения отношения напряженийблизких по величине, целесообразно применять разносный метод, который сводитсяк следующему: сначала надо измерить разность входных напряжений, разделитьполученную разность на одно из входных напряжений, а затем измерить выходноенапряжение [1]. Указанное выше записывается как
/>, (1.8)
где С –константа деления, Uвых – выходная величина напряжения, r =u1/u2 – требуемое отношениенапряжений. Из формулы (1.20) следует
/>. (1.9)
Структурная схема,реализующая описанный выше метод, изображена на рисунке 1.4./> />
Рисунок 1.4 – Структурная схема измерителя отношения реализующего
разносный метод
Погрешность измеренияотношения в этом случае равна [1]
/>. (1.10)
ВеличиныdС и dUвых имеют следующийфизический смысл. В любой делительной схеме в результате климатическихвоздействий, изменений напряжения питания в некоторых пределах изменяетсявыходная величина, что соответствует изменению постоянной деления C и вносит погрешность,обозначенную как dC. Погрешность измерениявыходной величины напряжения обозначена dUвых.Из выражения (1.10) следует, что для dС=2%и dUвых=1% измерения отношенияr=0.99 будут обеспечиватьсяс предельной погрешностью dr=0.003% [1].
1.2.5 Цифровой методизмерения отношения
При вычислении отношенияпри помощи микропроцессора, напряжения, отношения которых необходимо найтипреобразуются в цифровой код, а затем осуществляется операция деления одногочисла на другое. Известно, что представление числовой информации ввычислительной машине ограничено разрядностью [3]. И если результат выполненияарифметического действия по количеству разрядов превышает разрядную сеткуустройства, то часть разрядов теряется В настоящее время существует множествоалгоритмов выполнения деления одного числа, представленного в двоичном коде надругое. Причем выполнения операции деления зависит от вида формата в которомпредставлено число.
Операции над числами сфиксированной точкой наиболее часты в практике программирования. Этообъясняется тем, что большинство прикладных задач не требует такой точности,какую может дать плавающая точка, а скорость обработки, особенно в регистровыхкомандах, значительно выше.
Для представления чисел сфиксированной точкой используется двоичная система счисления. Числа размещаютсяв формате полуслова (16 бит), слова (32бита) и двойного слова (64 бита).Размером этих полей фиксированной длины определяется диапазон представлениячисел, а при фиксированном диапазоне – точность представления числа.
Для представления чисел сплавающей точкой используется полулогарифмическая форма, которая имеет вид
/>, (1.11)
где М –мантисса числа А, r – порядок числа. Положение запятойопределяется значением порядка r. С изменением порядка в ту или другуюсторону точка перемещается (плавает) в лево или право. Под мантиссу и порядок вмашине отводится определенное число разрядов. Например, при представлении вформате слова — 24. Диапазон представления десятичных чисел, взятых поабсолютному значению, определяются неравенством [3]: 10-77≤│A(10)│≤1076.Преобразование числовой информации в формат с плавающей точкой осуществляетсяпрограммным путем.
1.3 Методы построенияусилителей постоянного тока
1.3.1 Дрейф нуля в усилителяхпостоянного тока
Дрейфом начального уровня или дрейфом нуля называетсясамопроизвольное изменение выходного напряжения при неизменном или равном нулювходном напряжении. Дрейф нуля является основным источником погрешностей визмерительных приборах, в которых необходимо усиливатьсигналы постоянного напряжения [4,5,6].
Причины возникновения дрейфа начального уровня напряженияили тока в УПТ различные. Во-первых, колебания температуры окружающей средывызывают изменения токов коллекторного и эмиттерного р-п переходов,напряжения база — эмиттер и коэффициента усиления тока биполярных транзисторов.У полевых транзисторов с изменением температуры также изменяютсясоответствующие параметры. Во-вторых, при изменении напряжений источниковпитания усилительных каскадов изменяется напряжение на выходе усилителя, дажеесли его входное напряжение оставалось неизменным. В-третьих, происходитстарение параметров транзисторов, т. е. их изменение во времени. В-четвертых, всоединениях, выполненных с помощью паек, а также в других соединениях элементовили микросхем, которые являются неоднородными, могут возникать термоЭДС.Последние усиливаются в каскадах, и на выходе усилителя возникает изменениенапряжения. Перечисленные дестабилизирующие факторы протекают медленно вовремени и усиливаются наравне с входным медленно изменяющимся сигналом, вызываяопределенную погрешность выходного напряжения.
Для уменьшения дрейфа начального напряженияв УПТ прямого усиления применяют специальные балансные или разностные схемыкаскадов, а иногда электрическую изоляцию каскадов друг от друга с помощьюоптопар, которая позволяет получить изолирующие каскады. В УПТ спреобразованием (модуляцией) усиливаемого сигнала уменьшение дрейфа нулядостигается другим способом, однако и здесь возникают трудности, которыепреодолеть непросто.1.3.2Стабилизация точки покоя в транзисторных каскадах
Ток покоя выходной цепи усилительного каскада в рабочихусловиях не должен сильно отклоняться от величины, обеспечивающей нормальнуюработу, так как иначе свойства каскада ухудшатся и он даже может статьнеработоспособным.
При питании от одного источникадостаточную стабильность тока покоя выходной цепи (или, что то же самое,достаточную стабильность положения точки покоя на семействе статическихвыходных характеристик транзистора), обеспечивающую работоспособностьтранзисторных каскадов при изменении температуры и замене транзисторов, можнополучить при использовании схем стабилизации тока покоя выходной цепи (схемстабилизации точки покоя)[4,5].
Простейшей и наиболее экономичной из таких схем является коллекторнаястабилизация (рис.1.5), в которой стабилизацияположения точки покоя осуществляется параллельной отрицательной обратной связьюпо напряжению, снимаемой с коллектора транзистора.
/>
Рисунок1.5 — Коллекторная стабилизация точки покояпри включении
транзистора с общим эмиттером
Здесь к резистору R1 приложена разность напряжения источника питания Еи падения питающего напряжения на сопротивлении коллекторной нагрузки Z. Еслипочему-либо ток покоя выходной цепи стремится возрасти, падение напряжения на Z увеличивается,приложенное к R1 напряжение уменьшается и ток смещения базы падает, чтоне дает току покоя сильно увеличится; при стремлении тока покоя уменьшитьсяописанный процесс автоматического регулирования происходит обратным образом.
1.3.3 Дифференциальные каскады
Эффективным схемным решением, резко уменьшающим дрейфнуля, вызванный как температурной нестабильностью транзисторов, так иизменением питающих напряжений, является использование в усилителе такназываемых дифференциальных каскадов[4,5,6].
Простейшая схема дифференциального каскада на биполярныхтранзисторах изображена на рис. 1.6. Еслитранзисторы одинаковы, то при любом большом значении их дрейфа потенциалы наколлекторах изменятся на одинаковую величину, а напряжение Uвых между ними останется неизменным. Таким образом, в этойсхеме напряжение Uвых оказывается нечувствительным к синфазным сигналам, т.е. к дрейфу нуля. Для создания между коллекторами транзисторов полезногоусиливаемого сигнала необходимо подавать его на базы транзисторов впротивоположных фазах.
Для создания между коллекторами транзисторов полезногоусиливаемого сигнала необходимо подавать его на базы транзисторов впротивоположных фазах. В этом случае напряжение Uвых определяется только входным (дифференциальным) сигналоми совершенно не зависит от дрейфа нуля (синфазный сигнал).В реальныхусловиях полной идентичности транзисторов добиться нельзя и синфазные сигналыбудут проникать на выход устройства, создавая выходное напряжение ошибки(дрейфа). Однако его величина в таком дифференциальном каскаде оказываетсяочень малой./> />
Рисунок1.6 -Дифференциальный каскада на биполярныхтранзисторах
1.3.4 Усилители постоянного тока с преобразованием частоты усиливаемыхсигналов
Дляусиления сигналов с напряжением ниже сотен микровольт усилители постоянноготока прямого усиления непригодны, и для этой цели приходится использоватьусилители постоянного тока с преобразованием частоты усиливаемых сигналов.
Втаких усилителях напряжение усиливаемых сигналов, имеющих спектр частот от 0 доWпри помощи балансного модулятора модулирует по амплитуде напряжение генераторанесущей частоты w, в результате чего на выходемодулятора получают модулированные колебания несущей частоты со спектромбоковых, частот w±W
Эти колебания подают на вход усилителя переменного тока рассчитанного напропускание полосы частот w±W; усиленныемодулированные колебания детектируются балансным демодулятором, выделяющим изэтих колебаний усиленный сигнал первоначальной формы который послеотфильтровывания остатка несущей частоты и ее гармоник поступает в нагрузку.Для неискаженного усиления несущая частота w должна по крайней мере в 5—10 раз превышать наивысшуючастоту Wв усиливаемых сигналов.
Дрейф усилителей постоянного тока спреобразованием в основном определяется дрейфом балансного модулятора. Кдостоинствам усилителей постоянного тока с преобразованием можно отнести малыйуровень дрейфа, отсутствие необходимости стабилизации источников питания,простоту введения обратной связи и регулировки усиления; их недостаткомявляется сложность устройства, включающего в себя, кроме усилителя (У),генератор несущей частоты (Г), балансные модулятор (М), демодулятор (ДМ) ифильтр(фнч). В УПТ с модуляцией сигнала удаётся получить дрейф начальногоуровня менее 2мкВ/°С [6]. Схема описываемого УПТ представлена на рисунке 1.7./> />
Рисунок1.7 – Структурная схема усилителяпостоянного тока с преобразованием частотыусиливаемых сигналов/> /> /> />
1.4 Выводы
На основании анализа, проведенного в данном разделе обозначимосновные принципы построения разрабатываемого устройства. Так для выполнениянепосредственно операции деления в микропроцессоре необходимо воспользоватьсяалгоритмом деления, при котором числа представляются в формате с плавающейзапятой. Это позволит обеспечить необходимую точность вычислений и избежатьдополнительной погрешности при измерении отношения напряжений.
Усиливать входные сигналы стоит при помощи усилителей постоянноготока, в которых постоянное напряжение преобразуется в переменное, а толькозатем усиливается. Однако необходимости преобразовывать переменное напряжениеобратно в постоянное при решении нашей задачи нет. Поэтому при реализацииразрабатываемого устройства целесообразно перейти от сигналов с постояннымнапряжением к переменным, что можно осуществить при помощи обычногокоммутатора. Таким образом, это решение существенно облегчит реализациюусилительного тракта прибора и решит проблему дрейфа нуля, не увеличив при этомпогрешность измерений.Так как в соответствии с техническим заданием динамический диапазон входныхнапряжений достаточно большой (60 дБ ) то в тракте усиления необходимоиспользовать усилитель с переменным коэффициентом передачи, которые в настоящеевремя выпускаются промышленностью. Это обеспечит сжатие динамического диапазонасигнала, поступающего на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП. Такоерешение позволяет резко снизить относительную погрешность, возникающую из-заквантования преобразуемого сигнала. Процесс обратного расширения динамическогодиапазона будет осуществлять в процессоре.
Для снижения погрешности,причиной которой являются шумы, необходимо применять малошумящие усилители.Кроме того необходимо будет реализовать цифровую фильтрацию, что обеспечитувеличение отношения сигнал – шум, а следовательно уменьшит погрешностьизмерения.
2РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЯ ОТНОШЕНИЙ.
2.1 Функциональная схема
Наосновании выводов, сделанных в первом разделе проведем разработкуфункциональной схемы прибора. Эта схема приведена на рис.2.1.
Таккак разрабатываемое устройство должно измерять отношения весьма малых напряжений( от 10 мкВ до 10мВ ) то совершенно очевидно, что данные напряжения необходимоусиливать. Причём целесообразно данные напряжения усиливать по одному трактуусиления. Данное техническое решение позволит исключить дополнительнуюпогрешность связанную с нестабильностью параметров элементов схемы. Два трактаусиления собранные на одной элементной базе будут всегда иметь небольшоеразличие в коэффициентах передачи из за временной нестабильности, (воздействиена схему различных дестабилизирующих факторов) и старения. В свою очередь этонебольшое отличие является причиной неточности при измерении той или инойвеличины, например, как в данной работе, при измерении отношения двухнапряжений. Кроме того, использование одного тракта усиления позволит уменьшитьстоимость разрабатываемого устройства за счёт сокращения используемыхэлементов, что также не маловажно при проектировании реального устройства. Дляреализации выбранного технического решения входные сигналы будем подавать наединый тракт усиления последовательно, через коммутатор К, управляемыйцентральным процессором П1.
Как былоописано в первой главе данной работы, причиной большой погрешности в измеренияхпри усилении постоянных напряжений может являться дрейф нуля. Во избежаниеданного явления целесообразно перейти от постоянных напряжений к переменным.Этот переход можно осуществить при помощи коммутатора К, которыйпоследовательно будет подключать ко входу предварительного усилителя ПУ либоодин из входных сигналов, либо общий провод, потенциал которого равен нулю.Таким образом, для осуществления схемы с одним трактом усиления и перехода отсигналов постоянного напряжения к сигналам с переменным напряжением используемтрехканальный коммутатор, на один вход которого подается первый входной сигнал,на второй вход – второй входной сигнал. Третий вход коммутатора необходимоприсоединить к общему проводу. Центральный процессор должен управлять коммутатором таким образом, чтобы навыходе коммутатора было сформировано две последовательности прямоугольныхимпульсов одинаковой частоты со скважностью равной двум. Причем амплитудысформированных последовательностей будут равны величинам напряжений входныхсигналов. (Рисунок 2.2)
/>
Рисунок 2.2 – Сигнал, формируемый на выходе коммутатора
Как уже былоупомянуто выше, управляться четырехканальный коммутатор будет центральныммикропроцессорным устройством. Причем частоту последовательностей прямоугольныхимпульсов выберем равной F=1 кГц. Частоту смены импульсныхпоследовательностей следует выбрать исходя из расчётов времени, котороетребуется на установление переходного процесса цифрового фильтра описанногодалее, и времени, которое требуется процессору для выполнения заложенных в негоалгоритмов обработки поступающей информации.
Далеесформированные коммутатором импульсные последовательности усиливаютсяпредварительным усилителем ПУ. Так как поступаемый на вход ПУ сигнал имеетмалый уровень (в худшем случае 10 мкВ в соответствии с техническим заданием),то усилитель, дабы не вносить большую погрешность в измерение требуемойвеличены, должен иметь малый коэффициент шума. Основным требованием, которомудолжен соответствовать выбираемый усилитель является низкий коэффициент шума.Поэтому следует выбрать малошумящий операционный усилитель. Коэффициентпередачи по напряжению предварительного усилителя выберем позже.
Так как всоответствии с техническим заданием динамический диапазон входных напряженийдостаточно большой (60 дБ ) то в тракте усиления необходимо использоватьусилитель с переменным коэффициентом передачи. Это обеспечит сжатиединамического диапазона сигнала, поступающего на вход аналого-цифровогопреобразователя АЦП. Такое решение позволяет резко снизить относительнуюпогрешность, возникающую из-за квантования преобразуемого сигнала (абсолютноезначение этой погрешности равно единице младшего разряда). Обратное расширениединамического диапазона будем осуществлять в центральном процессоре путемделения полученного кода на коэффициент усиления управляемого усилителя.Используем двуполярный двенадцатиразрядный АЦП с максимальной амплитудойсигналов подаваемых на АЦП равной Umax=2В. В двенадцатиразрядном АЦП один разряд знаковый. Зная это можно найти числоуровней квантования, которое равно N=211=2048.Тогда шаг квантования
/>. (2.1)
Относительную погрешностьвносимую при оцифровке сигнала можно оценить как отношение шага квантования квходному сигналу.
/>. (2.2)
При максимальном значенииамплитуды подаваемого на АЦП сигнала погрешность равна: δmin =(0,001/2)*100% =0,05%. Это будетминимальная погрешность вносимая АЦП. Подберём коэффициент передачи всегоусилительного тракта таким образом, чтобы минимальная амплитуда сигналаподаваемого на вход АЦП была в два раза меньше максимального значенияамплитуды, то есть 1 В. Погрешность при этом будет равна δmax=(0,001/1)*100%=0,1%. Это и будет максимальная погрешность АЦП. Для того чтобы погрешность непревышала данное значение, необходимо чтобы при любом значении входногосигнала, на АЦП поступала импульсная последовательность, амплитуда которойпопадала бы в диапазон от 1 В до 2 В. Это можно реализовать при помощиуправляемых усилителей УУ1-УУ3 коэффициенты передачи которых устанавливаютсяцифровым кодом с процессора.
Дляобеспечения заданного динамического диапазона используем три таких усилителявключённых каскадно. Коэффициент передачикаждого может быть равен 1, 2, 4, 8. Тогда диапазон изменения коэффициентапередачи всех трёх усилителей изменяется от 1 до 29=512. Управлениекоэффициентами усиления микросхем DA3 – DA5 осуществляет микроконтроллер DD1 типа AT90S1200фирмы Atmel.
Длясжатия динамического диапазона сигнала используется дискретная системаавтоматической регулировки усиления (АРУ), анализирующая сигнал на выходепоследнего усилителя и осуществляющая переключение коэффициента усиления, еслиуровень этого сигнала выходит за пределы диапазона 1 — 2 вольта.
Напряжениес выхода третьего управляемого усилителя поступает на первый вход компаратора,который встроен в микроконтроллер DD1(вывод 12). На второй вход этого же компаратора (вывод 13 микроконтроллера DD1) подается напряжение с ЦАП.Напряжение на выходе ЦАП может иметь только два значения, соответствующиеверхнему значению (2 вольта), либо нижнему значению диапазона выходного сигнала(1 вольт).
Управлениеработой ЦАП осуществляет микроконтроллер DD1, который вырабатывает соответствующие сигналы навыводах 14, 15, 16. Сначала на первый (старший) разряд ЦАП (резистор R14)подается напряжение +5В, а на второй разряд (резистор R12) – нулевоенапряжение. При этом на втором входе компаратора формируется высокий уровеньнапряжения (2 вольта), который и сравнивается с напряжением на первом входе.
Еслинапряжение на первом входе компаратора превышает напряжение на втором входе, топроисходит уменьшение коэффициента усиления управляемого усилителя в два раза,После этого процесс повторяется до тех пор, пока напряжение на первом входекомпаратора не станет меньше, чем на втором.
Еслинапряжение на первом входе компаратора меньше напряжения на втором входе, токонтроллер DD1 на второй разряд подает напряжение+5В, а на первый разряд – нулевое напряжение. При этом на втором входекомпаратора формируется низкий уровень напряжения (1 вольт), который исравнивается с напряжением на первом входе. Если после этого напряжение напервом входе компаратора меньше напряжения на втором входе, то происходитувеличение коэффициента усиления управляемого усилителя в два раза и процессповторяется до тех пор, пока напряжение на первом входе компаратора не станетменьше, чем на втором.
Такимобразом, в следящем режиме дискретная система АРУ удерживает напряжение навыходе третьего усилителя с управляемым коэффициентом передачи (1-2 вольта)при изменении входного сигнала во всем динамическом диапазоне изменения.
Дляисключения циклических переключений на границах диапазона (1 и 2 вольта)предусмотрено введение гистерезиса. Это осуществляется с помощью младшихразрядов ЦАП, которые включаются одновременно со старшим путем подачи на нихнапряжения +5 вольт (резистор R8). При этом несколько увеличиваетсяопорное напряжение, подаваемое на второй вход компаратора.
Непосредственноеуправление коэффициентом усиления проводит микроконтроллер DD1, устанавливая соответствующие кодына выводах 2, 3, 6. Эти коды поступают на выводы 15, 16 микросхем DA3 – DA5 иосуществляют изменение коэффициента усиления. Для проведения операциивосстановления динамического диапазона (экспандирования) микроконтроллер DD1 7, 8, 9 формирует трехразрядный кодкоэффициента усиления управляемого усилителя, который поступает на центральныймикроконтроллер. Значение коэффициентов передачи устанавливается сигналом сцентрального процессора.
Зная максимальные значениякоэффициентов передачи этих усилителей, можем оценить, каким должен бытькоэффициент передачи предварительного усилителя. Известно, что минимальноезначение амплитуды входного сигнала после коммутатора и разделительногоконденсатора Uвхmin=5мкВ. При этом амплитуда сигналаподаваемого на АЦП: UАЦП=1В. тогда максимальный коэффициентпередачи всего усилительного тракта :
/> . (2.3)
Вычислив,получим КОБЩ=200000. Найдём максимальный коэффициент передачи трёхуправляемых усилителей с переменными коэффициентами передачи, который равен
/> . (2.4)
гдеК1, К2, иК3 — коэффициентыпередачи трёх усилителей соответственно. Тогда КПЕР=512. теперь можно найти коэффициент передачи предварительногоусилителя/>
/>. (2.5)
Вычислив,получим Кпу≃391.
Рассмотримпринцип сжатия динамического диапазона сигнала. Рассмотрим ситуацию, когдавходной сигнал линейно изменяется от 10мкв до 10 мв Этот случай иллюстрируетсярисунком 2.3. При подаче минимального напряжения на вход устройства процессор устанавливаетна всех управляемых усилителях максимальные значения коэффициентов передачи. К1=К2=К3=8.На АЦП поступает сигнал с амплитудой приблизительно 1В. При увеличениинапряжения входного сигнала увеличивается амплитуда сигнала поступающего наАЦП. Если напряжение входного сигнала превысит значение 20 мкВ, на вход АЦПбудет поступать сигнал, амплитуда которого будет превышать 2 В. При этом АЦПвыдаст на процессор код, во всех разрядах которого, кроме знакового, будутединицы. В этом случае процессор установит коэффициент передачи последнегоуправляемого усилителя равным четырём, оставив коэффициенты передачи первыхдвух на прежнем значении. При дальнейшем увеличении напряжения входногосигнала, процессор понизит коэффициент передачи последнего управляемогоусилителя сначала до двух, затем до единицы. При этом важно, чтобы амплитудасигнала, подаваемого на АЦП не упала ниже значения 1 В, а следовательнопогрешность не превысила установленного значения. Это возможно из-занестабильности входного сигнала и шумов. Поэтому процессор необходимозапрограммировать таким образом, чтобы при уменьшении напряжения на АЦП большечем на какое-то значение ΔU относительно минимально допустимого,коэффициент передачи управляемого усилителя увеличивался.
Припоследующем увеличении напряжения входного сигнала процессор установиткоэффициент передачи второго управляемого усилителя равным четырём, затем двум,затем единице. Если на вход устройства буден подан сигнал с максимальным всоответствии с техническим заданием напряжением 10 мкВ, коэффициенты передачитрёх управляемых усилителей установятся равными единице.
ПередАЦП необходимо поставить фильтр нижних частот ФНЧ, который бы ограничивалспектр сигнала подаваемого на АЦП пятой гармоникой. Тогда максимальная частотав спектре этого сигнала равна: Fmax=5F=5кГц. В соответствии с теоремой Котельникова, найдёминтервал дискретизации
/>. (2.6)
Δt=10-4 c=0.1мс. Требуемый ФНЧ может бытьлегко реализован на операционном усилителе.
САЦП оцифрованный сигнал подается на центральный процессор, где осуществляетсяцифровая обработка. Сначала проводится цифровая узкополосная фильтрация,которая обеспечивает подавление шумов и повышает отношение сигнал-шум. Навыходе цифрового фильтра имеем импульсную последовательность, огибающая которойсоответствует гармоническому колебанию с частотой равной F=1 кГц. Далее при помощи дискретногопреобразования Фурье (ДПФ) находится амплитуда первой гармоники, котораяпропорциональна напряжению входного сигнала. Это значение запоминается. После того как с коммутатора поступает последовательностьимпульсов с амплитудой равной напряжению второго сигнала, и обрабатываетсяаналогично первому сигналу, выполняется операция деления одного числа надругое. При этом необходимо учитывать, какие коэффициенты передачи былиустановлены на управляемых усилителях. Результат выполнения операции деления выводится на индикатор. Для этих целей используемоднострочный восьми символьный жидкостно-кристаллический индикаторный модуль GBM0801Aфирмы XIAMEN.
2.2Выбор типа микропроцессора
Внастоящее время разработано и выпускается отечественной и зарубежнойпромышленностью множество микропроцессоров, которые имеют различныевозможности. Разрабатываемое устройство требует от центрального процессораобеспечение выполнения требуемых операций за короткий промежуток времени. Аименно цифровую фильтрацию, дискретное преобразование Фурье, операцию делениядвух чисел. Кроме того, центральный процессор должен формировать управляющиесигналы для коммутатора, АЦП и для схемы индикации. Поэтому необходим быстродействующийпроцессор с высокой производительностью. Выберем микроконтроллер фирмы Texas Instruments TMS320VC5409A. Этотмикроконтроллер обладает шестнадцатиразрядной шиной данных, имеет два выводаобщего назначения (для управления коммутатором), три многоканальныхпоследовательных порт, которые также могут быть запрограммированы как выводаобщего назначения (для управления АЦП, схемой индикации). Кроме того,TMS320VC5409A снабжен встроенной оперативной памятью объемом 32 x 16 бит, котораясостоит из четырех блоков объемом 8 x 16 бит каждый. Тактовая частотамикроконтроллера 160 МГц. Питается от двух источников напряжения, а именно 3,3В и 1,6 В, которые формируются специализированной микросхемой фирмы TexasInstruments — TPS70445. Данный микроконтроллер построен по улучшеннойгарвардской архитектуре и имеет одну шину программной памяти и три шины памятиданных. Раздельные пространства программной памяти и памяти данных обеспечиваетодновременный доступ к программным командам и данным. Для работы микроконтроллерунеобходима внешняя ПЗУ. Выберем микросхему Am29LV200B объемом 256 x 8 бит, которуювыпускает фирма AMD.
2.3Оценка погрешности измерения отношения
Важнейшимпоказателем качества любого измерительного прибора является его точность.Поэтому при разработке измерителя отношения напряжений необходимо оценитьпогрешность измерения. Очевидно, что погрешность измерения отношения двухнапряжений будет в первую очередь определяться погрешностью измерения самихнапряжений. Так абсолютную погрешность измерения отношения можно найти поформуле
/>. (2.7)
Таккак отношение двух напряжений определяется выражением
/>, (2.8)
тоотносительную погрешность измерения отношения двух напряжений можно записатьтак:
/>. (2.9)
Определимчастные производные для выражения (2.9).
/>, (2.10)
/>. (2.11)
Подставимформулы (2.10) и (2.11) в выражение (2.9) и проделаем несложные преобразования.В результате получим
/>. (2.12)
Извыражения (2.12) заметим, что относительная погрешность измерения отношенияравна разности относительных погрешностей напряжений, отношение которыхнеобходимо определить. То есть мультиплексивная погрешность будет вычитаться.Однако нам необходимо оценить предельную погрешность, поэтому рассмотримслучай, когда ΔU1 и ΔU2 будут иметь различные знаки. При этоммаксимальная относительная погрешность измерения отношения двух напряженийравна
/>. (2.13)
Дляоценки относительной погрешности измерения напряжений проанализируем причины еёвозникновения. Так основными источниками погрешности измерения напряженийявляются погрешность возникающая при квантовании сигнала, погрешность,связанная с нелинейностью тракта усиления и погрешность, причиной которойявляются шумы. Первая была оценена выше, при разработке функциональной схемы.Ее максимальное значение составляет 0,1%. Погрешность связанная с нелинейностьютракта усиления при питании операционных усилителей ±5 В и максимальнойамплитуде сигнала 2 В, она составляет менее 0,01% [4].Она мала по сравнению с погрешностью возникающей при квантовании сигнала,поэтому ее учитывать не будем. Погрешность, причиной которой являются шумыучитывать не будем ввиду сложности методики ее оценки. Тогда ΔU1/U1= ΔU2/U2=0.1%. А максимальная относительная погрешность измеренияотношения двух напряжений, в соответствии с (2.13) будет равна (ΔK/K)MAX=0.2%.
Следуеттакже учесть погрешность цифровой индикации. При работе схемы индикации врежиме плавающей запятой она будет оставаться неизменной во всем диапазонеизмеряемых напряжений, и равна единице младшего цифрового разряда.Относительную погрешность цифровой индикации оценим при максимальном измеряемомотношении КMAX=1000. При этом вес единицы младшегоцифрового разряда равен ΔЦИ=1. Тогда погрешность равна
/>. (2.14)
Такимобразом δЦИ=0,1%. Суммарная погрешность разрабатываемогоприбора будет равна
/> , (2.15)
иравна δИЗМ=0,3%. То есть разрабатываемый прибор способенизмерять отношения двух напряжений во всем диапазоне изменения отношений спогрешностью 0,3%.
5 ТЕХНИКО–ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
5.1 Маркетинговые исследования
Цельютехнико-экономического обоснования (ТЭО) является определениенародно-хозяйственной эффективности производства устройства на основе учетатехнико-экономических показателей. Решение о целесообразности разработки,изготовления, внедрения и эксплуатации проектируемого устройства принимается израсчета обобщенного показателя – экономического эффекта, в котором отраженычастные показатели эффективности, характеризующие прибор. Именно его намнеобходимо рассчитать.
Длярыночных условий производства и эксплуатации новой техники следуетпредусмотреть возможные варианты конкуренции, сопоставив спрос и предложение нааналогичную технику на предлагаемом рынке.
Определимпотребителя разрабатываемого устройства, для этого составим его портрет.
Припроизводстве устройства измерения отношения напряжений на основемикропроцессорного вычислителя потребитель определяется из следующихсоображений. По географическому положению предприятие-покупатель можетнаходиться где угодно. Если устройство будет иметь выгодныетехнико-экономические показатели, при его технических показателяхзаинтересованность могут проявить как предприятия нашей страны, так и ближнего идальнего зарубежья.
Потребителеммогут быть и мелкие и крупные предприятия, т.к. цена прибора на рынке подобныхустройств относительно не велика, соответственно по форме финансирования этомогут быть и частные фирмы и госпредприятия. Величина закупок данного видаустройств не может быть высока, т.к. операция измерения отношения двухнапряжений является весьма специфической, хотя как таковая она может бытьиспользована в управлении различными техпроцессами на заводах. Приобретаяразрабатываемое устройство, потребитель, прежде всего, выигрывает в цене изатратах на обслуживание, т.к. эксплуатация предлагаемого устройства не требуетспециального обучения персонала. Область применения относительно не велика:различные лаборатории, институты, конструкторские бюро, измерительные центры.
5.2 Расчет капитальных и текущихзатрат, связанных с разработкой и изготовлением изделия
Всостав единовременных капитальных затрат, связанных с проектированиемустройства дистанционного управления радиостанцией, относятся затраты на:
а)научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР);
б)приобретение, доставку, монтаж и освоение технологического и другогооборудования;
в)освоение производства и доработку новых образцов;
г)создание социальной инфраструктуры, а также обеспечение мероприятий по охранетруда.
Таккак разработка ведется на действующем предприятии с развитой инфраструктурой,капитальные вложения складываются из затрат на НИОКР.
Затратына НИОКР определяются по следующим статьям.
— материалы и комплектующие изделия;
— заработная плата основная и дополнительная;
— отчисления на социальные нужды;
— специальное оборудование, приборы;
— накладные расходы.
Кматериалам и комплектующим изделиям относят те, которые используются дляразработки, макетирования разрабатываемого изделия. Стоимость основныхматериалов приведена в таблице 5.1.Таблица 5.1 – Cтоимость материалов
№
пп Наименование материала
Вид,
марка Единица измерения Цена за единицу Норма расхода на 1 изд.
Сумма,
грн. 1 Стеклотекстолит фольгированный
СФ-2-35-1.5 ГОСТ 10316-70
м2 12 0,01955 0,235 2 Припой
Пр ПОС-61
ГОСТ 21930-76 кг 9 0,01 0,1 3 Канифоль
КС-В
ГОСТ 19113-84 Кг 5 0,003 0,015 4
Хлорное
железо НХЖК 2-12 Кг 7 0,04 0,28 5
Спирт
этиловый
ХЧДА
ГОСТ 17299-78 Кг 2 0,2 0,4 6 Лак
ЭП-73
ГОСТ 20824-81 кг 4 0,004 0,016
Продолжениетаблицы 5.11 2 3 4 5 6 7 7 Ударопрочный полистирол ТУ 6-05-1604-72
м3 250
4,5*10-5 0,009
8 Провод монтажный МТВ-0,25 м 0,007 2,3 0,161
9
Провод
медный ПЭЛ-0,45 м 0,05 2 0,1
Итого 1,316
/> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Встоимость материалов включают транспортно-заготовительные расходы в размере 5%от их стоимости.
Затратына покупные комплектующие изделия на один прибор определяются на основаниипринципиальной схемы прибора с учетом транспортно-заготовительных расходов вразмере 5% от стоимости. Затраты на комплектующие изделия приведены в таблице5.2.
Таблица 5.2 – Стоимость комплектующихизделий№ пп Наименование комплектующих изделий
Марка,
Тип
Цена за
1 шт., грн Норма расхода на 1 изделие
Сумма,
грн 1 Резистор 0805 0,11 16 1.76 2 Резистор СП3-22 0.5 2 1 3 Конденсатор 0805 0,11 20 2,2 4 Конденсатор K10-26 0,10 1 0,10 5 Конденсатор К10-7В 0,10 1 0,10 6 Кварц РК179 БА 2 1 2 7 Стабилитрон TL431 1 2 2 8 ключ 5 2 1 9 Трансформатор ТОТ35 5 1 5 10 Микросхема жки 25 1 25 11 Микросхема Дионый мост 2 1 2 12 Микросхема ИЛИ-НЕ 0,5 1 0,5 13 Микросхема K1402EH1 2 1 2 14 Микросхема DCP010515DP 10 1 10 15 Микросхема DCP010505P 10 1 10 16 Микросхема LTC1402 15 1 30 17 Микросхема PGA204 15 3 45 /> /> /> /> /> /> /> />
Продолжениетаблицы 5.21 2 3 4 5 6
18 Микросхема OPA627 10 2 20
19 Микросхема TMS320VC5409A 45 1 45
20 Микросхема TPS70445 15 1 15
21 Микросхема Am29LV200B 20 1 20
22 Микросхема AT90S1200 40 1 40
23 Микросхема NP100A 40 1 40
Итого 290,3 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Такимобразом затраты на материалы и комплектующие изделия по таблицам 5.1, 5.2 сучетом транспортно-заготовительных расходов:
ЗМ= 1,316+0,05*1,316 = 1,38 грн;
ЗКИ= 290,3+0,05*290,3 = 304,82 грн.
Прирасчете заработной платы положим, что ее получают на этапе проектированияинженеры конструкторы, и при проектировании устройства дистанционногоуправления радиостанцией нам достаточно двух инженеров, проектирование ведется1 месяц.
Окладинженера по различным источникам составляет 1,26 грн/час, при трудоемкости 192часа на один прибор. Коэффициент, учитывающий доплаты к основной заработнойплате Кд = 1,5. Тогда основная зарплата составит:
ОЗП = 2*Тр*Сч*Кд ; (5.1)
ОЗП = 2*192*1,26*1,5 = 725,76 грн.
Дополнительнаязаработная плата для инженеров на данном этапе не рассчитывается.
Отчисленияна социальное страхование и др. составляют 37% от суммы зарплаты:
ОСС = 0,.37*ОЗП = 0,.37*725,76 = 268.53 грн.
Накладныерасходы составляют укрупнено в объеме 200% от суммы зарплаты и составляют:
НР = 2*ОЗП = 2*725,76 = 1451,52 грн.
Полученныев результате расчета капитальные затраты будут:
К = ОЗП + ОСС + НР + ЗМ + ЗКИ; (5.2)
К = 725,76 + 268.53 + 1451,52 + 1,38 + 304,82= 2752.01грн.
Всостав текущих затрат входят затраты, непосредственно связанные с серийнымизготовлением аппаратуры. Расчет текущих затрат сводится к определению полнойсебестоимости изделия в соответствие с порядком калькуляции принятом в отрасли.Себестоимость изделия рассчитаем методом прямого счета, применяемого врадиопромышленности. При этом основная зарплата производственных рабочих определяется по трудоемкости изготовления одного изделия. Расчетная зарплата рабочихпредставлена в таблице 5.3.Таблица 5.3 – Прямаязарплата основных производственных рабочих№ пп Виды работ Разряд Часовая тарифная ставка, грн.
Трудоемкость,
час
Прямая зарплата,
Грн. 1 Гальванические 5 0,29 1,6 0,464 2 Сборочные 5 0,29 2,0 0,58 3 Монтажные 5 0,29 1,8 0,522 4 Настроечные 6 0,35 1 0,35 5 Регулировочные 5 0,3 1 0,3 Итого 2,216 /> /> /> /> /> /> />
Основнаязаработная плата будет составлять:
ОЗППР = 1,3*ПЗП = 1,3*2,216 = 2,88 грн.
Дополнительнаязарплата составляет 16% от основной:
ДЗППР =0,16*ОЗППР = 0,16* 2,88 =0,46 грн.
Отчисленияна социальные нужды:
ОССПР = 0,37*(ОЗППР + ДЗППР)= 0,.37(2,88 + 0,46) = 1.24грн.
Расходына подготовку и освоение производства составляют 4% от суммы основнойзаработной платы:
РПОП = 0,04*ОЗППР = 0,04*2,88 =0,115 грн.
Расходына содержание и эксплуатацию оборудования составляют 60% от суммы основнойзаработной платы:
РСЭО = 0,6*ОЗППР = 0,6*2,88 = 1,73грн.
Общепроизводственныерасходы составляют 80% от суммы основной заработной платы:
ЦР = 0,8*ОЗППР = 0,8*2,88 = 2,3 грн.
Общехозяйственныерасходы составляют 90% от суммы основной заработной платы:
ОЗР = 0,9* ОЗППР = 0,9* 2,88 = 2,59 грн.
Прочиепроизводственные расходы составляют 7% от всех предыдущих статей:
ПР = 0,07*(ОЗППР + ДЗППР+ ОССПР + ЗМ + ЗКИ + РПОП + РСЭО+ ЦР + ОЗР) ; (5.3)
ПР = 0,07*(2,88 + 0,46 + 1,24 + 1,38 + 304,82+ 0,115 +1,73 + 2,3 + 2,59) = 13,13 грн.
Производственнаястоимость изделия есть по существу общая сумма расходов по пунктам статейприведенных выше, т.е.
С = ОЗППР + ДЗППР + ОССПР+ ЗМ + ЗКИ + РПОП + РСЭО + ЦР + ОЗР+ ПР = 330,56 грн.
Внепроизводственныерасходы определяются как 3% от производственной себестоимости
ВПР = 0,03*С = 9,92 грн.
Полнаясебестоимость, таким образом, будет:
СП = С + ВПР =330,56+9,92 = 340,48 грн.
Полученныерезультаты сводим в таблицу калькуляции себестоимости.Таблица 5.4 – Калькуляция себестоимости изделияСтатья расхода Сумма, грн. % к итогу Основные материалы 1,38 0,4 Покупные комплектующие изделия 304,82 89.5 Основная зарплата производственных рабочих 2,88 0.86 Отчисления на соцстрахование 1,24 0.36 Расходы на подготовку и освоение производства 0,115 0,04 Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования 1,73 0,51 Общепроизводственные расходы 2,3 0.68 Общехозяйственные расходы 2,59 0.76 Прочие расходы 13,13 3.9 Внепроизводственные расходы 9,92 2,9 Полная себестоимость 340,48 100
5.3 Формирование цены
Формированиецены происходит по методу «средние издержки плюс прибыль», который вдостаточной мере удовлетворяет условиям разработки.
Поданному методу цена определяется следующим образом:
Ц = СП + П ; (5.4)
где СП– полная себестоимость;
П– прибыль, которую выбирают равной 20%.
Тогда:
Ц = 340,48+ 0,2*340,48 = 408,7 грн.
Такимобразом, предполагаемая цена изделия составит 408,9 гривны.
5.4 Расчет затрат при эксплуатацииустройства измерения отношения напряжений на основе микропроцессорноговычислителя.
Составзатрат на эксплуатацию радиоаппаратуры у потребителя зависит от ее назначения иусловий эксплуатации. В общем случае это:
а)зарплата с отчислениями персонала, обслуживающего разрабатываемое устройство;
б)текущий ремонт;
в)электроэнергия, необходимая для питания аппаратуры;
г)вспомогательные материалы;
д)накладные расходы.
Рассчитаемзатраты на эксплуатацию.
Зарплатас отчислениями для персонала, работающего на радиоаппаратуре, определяется как:
ЗПП = Тч * Сч * КП* КД * КС ; (5.5)
где Тч– время работы аппаратуры в течение года, час;
Сч– тарифная ставка оператора, грн/час;
КП– коэффициент, учитывающий доплаты и премии — КП = 1,25;
КД– коэффициент, учитывающий доплаты — КД = 1,16;
КС– коэффициент, учитывающий отчисления на соцстрахование и др. отчисления — КС= 1,37.
Разрабатываемаяаппаратура может работать в течение рабочего дня в продолжение 8 часов,количество рабочих дней в году или иначе фонд времени рассчитывается следующимобразом:
Тч = [Дк — (Дв+ Дn) ] *8 — (Дпв + Дпп) ; (5.6)
где Дк–- кол-во календарных дней в году 365;
Дв –кол-вовыходных дней вгоду 52;
Дn – кол-вопраздничных дней 7;
Дпв – кол-вопредвыходных дней 52;
Дпп – кол-вопредпраздничных дней 2.
Врезультате расчета получаем:
Тч = 2394 час.
Часовуютарифную ставку установим в размере Сч = 0,625 грн/час.
Врезультате расчета получим зарплата с отчислениями:
ЗПП =2394*0,625*1,25*1,16*1,37 = 2972,3грн.
Затратына текущий ремонт радиоаппаратуры учитывают стоимость замены вышедших из строядеталей. Для такого расчета необходимо знать наработку на отказ деталей,трудоемкость устранения отказа и удельную стоимость работ. В упрощенномварианте можно принять расходы на текущий ремонт 5% от общей суммы расходов.
Затратына электроэнергию аналогично принимаются равными 25% от общей статьи расходов.
Амортизационныеотчисления составляют 20% от общей суммы расходов. Косвенные и прочие расходысоответственно составляют 4% и 7% от общей суммы расходов. По этим даннымсоставим таблицу годовых эксплуатационных расходов.
Таблица 5.5 – Укрупненная структурагодовых эксплуатационных расходов
№
пп Статьи расходов Сумма, грн. % к итогу 1 Заработная плата производственного персонала с отчислениями на соц. мероприятия 2972,3 39 2 Текущий ремонт 381,06 5 3 Электроэнергия 1905,32 25 4 Амортизационные отчисления 1524,26 20 5 Косвенные расходы 304,85 4
6 Прочие расходы 533,49 7
Итого 7621,28 100
/> /> /> /> /> />
Полученныеэкономические показатели используем при расчете экономического эффекта.
5.5 Определение экономическойэффективности
Обобщеннымпоказателем эффективности являться экономический эффект (ЭЭ).
РасчетЭЭ за расчетный период производится по формуле:
Эт = Рт – Зт ; (5.7)
где Рт– стоимостная оценка результатов внедрения разрабатываемого прибора зарасчетный период, грн.;
Зт - стоимостная оценка затрат на внедрение прибора в производство за расчетныйпериод, грн.
Стоимостнаяоценка результатов внедрения разрабатываемого прибора получается следующимобразом:
Рт = Цт * Ат ; (5.8)
где Цт– цена разрабатываемого устройства за расчетный период, грн.;
Ат– объем реализации изделий за расчетный год, шт.
Предполагаячто в год реализуется 500 устройства измерения отношения напряжений на основемикропроцессорного вычислителя получим:
Рт = 408,7*500 = 204350 грн.
Затратына новый прибор за расчетный период включают затраты при производстве иэксплуатации его:
Зт = Зп + Зэ ; (5.9)
где Зп– затраты при производстве, грн;
Зэ – затраты приэксплуатации, грн.
Затратыпри производстве определяются следующим образом:
Зп = К + СП *Ат ; (5.10)
где К – капитальные затраты.
Зп = 2752,01 + 340,48*500 = 173037,01грн.
Затратыпри эксплуатации составляют Зэ = 7927,25 грн.
Такимобразом, экономический эффект будет составлять:
Эт = 204350-(173037,01 + 7927,25) =23385,74 грн.
Такимобразом, разработка прибора будет эффективна в текущем году и его можнозапускать в производство, ожидая прибыль в первый же год производства, приусловии, что количество выпускаемых изделий будет соответствовать серийномупроизводству.
Сведемобщие и частные технико-экономические показатели в таблицу.
Таблица5.6 – Технико-экономические показатели разрабатываемого устройстваПоказатели Единицы измерения Значения Капитальные затраты грн 2752,01 Себестоимость грн 340,48 Цена грн 408,7 Расходы при эксплуатации грн 7621.28 Экономический эффект грн 23385,74
6 ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
6.1 Анализ условий труда припроизводстве устройства измерения отношения напряжений на основемикропроцессорного вычислителя
Охранатруда заключается не только в том, чтобы обеспечить безопасность и безвредностьв процессе труда, но и в том, чтобы сама работа не была тяжелой, утомительной имонотонной.
Неправильнаяорганизация труда приводит к преждевременному утомлению из-за перенапряженияотдельных органов, нерационального чередования движений, их монотонностью. Еслина рабочем месте не гарантирована полная безопасность, это также вызываетпреждевременное утомление.
Комплексусловий, окружающих человека или отдельный элемент всего комплекса, можетявляться фактором который может привести к травматизму, профессиональномузаболеванию, снижению производительности труда.
Всеприборы, блоки питания и вспомогательные устройства питаются от сетипеременного тока напряжением 220 вольт, следовательно, кроме высокой производственно-технологическойквалификации каждый рабочий обязан пройти инструктаж по технике безопасности ииметь не ниже третьей группы допуска по электробезопасности.
Привыполнении технологического цикла по сборке и наладке устройств необходимозадействовать:
* два рабочих местадля набивки печатных плат радиоэлементами;
* два рабочих местадля управления и контроля автоматом для пайки печатных плат, контролем закачеством пайки и устранения дефектов монтажа;
* два рабочих местадля отладки устройства.
Такимобразом, для помещения, в котором будут выполнятся сборка и отладка устройствавыберем помещение с габаритными размерами 8х6 метров.
Помещениерасполагает двумя оконными проемами, одним дверным проемом, а также имеетвнутреннюю перегородку, отделяющую производственный цех от цеха наладки, такжеимеющую дверной проем.
Предположим,что высота помещения h = 3 метра. Определим площадь и объемпомещения:
S = 6 * 8 = 48 м2 ;
V = 6 * 8 * 3 = 144 м3 ;
Наодного работающего приходится :
площадьS* = S / 6 = 8 м2 ;
объем V* = V / 6 = 24 м3 ;
Этипоказатели соответствуют нормативным значениям СН-245-71, где соответственноплощадь и объем приходящиеся на одного человека должны быть не менее S* = 4,5 м2 ; V*= 15 м3 .
Нарисунке 6.1 приведен эскиз рабочего помещения./> />
/>/> /> /> /> /> /> /> /> />
2 />
/>
где 1 –дверь;
2 – окно;
3 – стул;
4 – стол;
5 — распределительный щит;
6 — средствотушения пожара.Рисунок 6.1 — Размещение рабочих местна участке сборки и регулировки проектируемых устройств.
6.1.1 Освещение
Доказано,что неудовлетворительные условия освещения заметно вредят производству, ведут, непосредственно, к заболеваниям глаз, к их прямому травматизму. Вместе с тем,увеличение освещенности, без учета качества освещения, может привести к общемуутомлению, снижению производительности труда и даже прямому травматизму.Освещение устроено неправильно в тех случаях, когда на рабочем месте образуютсярезкие, путающие картину правильного восприятия тени, спектр света не удовлетворяетпредъявляемым к нему требованиям, световой поток непостоянен во времени и т.д. Для создания здоровых условий труда в производственных помещениях в дневноевремя должно быть обеспечено достаточное естественное освещение. Естественнаяосвещенность обеспечивается определенной площадью световых проемов и ихрасположением.
Впомещении применяется два вида освещения: естественное и искусственное.
Естественноеосвещение осуществляется через боковые проемы в наружных стенах (окна). Впомещении имеет место одностороннее боковое освещение, которое нормируетсяминимальным значением коэффициента естественного освещения в точке,расположенной на расстоянии 1м от стены, наиболее удаленной от световыхпроемов.
Работаотнесется к IV разряду зрительной работы (высокойточности) — при размерах объекта различения от 0,3 до 0,5 мм по СНиП-II-4-79. Санитарные нормы и правила.Нормы проектирования Искусственное освещение применяется в темное время суток ипереходное время суток. В качестве источников искусственного освещенияиспользуют 12 люминесцентных ламп, расположенных в два ряда.
Согласно[СНиП II-4-79. Строительные нормы и правила.Нормы проектирования. Естественное и искусственное освещение.], норма уровняосвещенности составляет 300 лк. В производственном помещении и при естественноми при искусственном освещении эта норма выполняется.
Определимкоэффициент естественной освещенности (КЕО) по формуле:
КЕО=ЕН3*М*С,
где М — коэффициент светового климата (М=0,8);
С — коэффициент солнечности (С=0,7);
ЕН3 — норматив (ЕН3=1,5%).
Подставив значения,найдем, что КЕО=0,84%.
Мероприятия, обеспечивающие выполнениетребований СНиП в помещении следующие:
· рациональноеразмещение рабочих мест;
· регулярная очисткастекол не реже двух раз в год;
· проверкасоответствия освещенности нормам искусственного освещения на рабочем месте.
6.1.2Шум и вибрация
Прирегулярном воздействии шум оказывает на человека вредное физиологическоедействие, которое заключается не только в притуплении, а иногда и к полнойпотере слуха. Шум, действуя на центральную нервную систему, вызываетфункциональные сдвиги вегетативной нервной системы, замедление реакции Подвоздействием шума наблюдаются ослабление памяти, остроты зрения, внимания Такимобразом, шум может явиться причиной травматизма.
Основнымиисточниками шума являются :
* измерительельнаяаппаратура ;
* разговорная речь ;
* устройствавентиляции приборов .
Допустимыйуровень шума согласно ГОСТ 12.1.003-83 составляет 80 дБА. Ожидаемый уровеньшума не более 70 дБА. Следовательно, можно сделать вывод, что дополнительныемероприятия по борьбе с шумом не требуются
Источниковвибрации в помещении нет, в связи с чем применять какие-либо меры виброзащитынеобходимости нет.
6.1.3Пожаробезопасность
Как известно пожар легче предупредить, чем потушить.Следовательно, необходимо предусмотреть все возможные причины возникновенияпожара и средства для его тушения. Пожарная безопасность помещениярегламентируется нормами ОНТП 24-86, категория В, класс помещения по ПУЭ-85 П-IIа, инструкциями по обеспечениюпожарной безопасности на отдельных объектах. В нашем помещении не хранятся и неприменяются при работе легковоспламеняющиеся вещества, а также нет горючихжидкостей и газов, поэтому причинами возникновения пожара могут быть:неисправность или неправильная эксплуатация электрооборудования, халатностьработающего персонала по выполнению противопожарных мероприятий.
СогласноСНиП II 2-80, рассматриваемое нами помещениеотносится к III степени огнестойкости. Горючимикомпонентами в производственных и наладочных цехах являются: строительныематериалы для акустической и эстетической отделки помещений, перегородки,двери, полы, изоляция кабелей и др.
Особоевнимание необходимо уделить к средствам тушения пожара, к которым относятсяогнетушители, сухой песок, асбестовые одеяла, пожарные стволы, внутренниепожарные водопроводы и т.п. В зданиях пожарные краны устанавливаются вкоридорах, на площадках лестничных клеток и входов.
Длятушения жидких и твердых веществ, а также электроустановок, находящихся поднапряжением применяются газовые и углекислотные огнетушители. В нашемпроизводственном помещении имеются два углекислотных огнетушителя типа ОУ – 5.
6.1.4Метеорологические условия.
Метеорологические условия напроизводстве определяются следующими параметрами: температурой воздуха впомещении (С), относительной влажностью воздуха (%), подвижностью воздуха(м/с), тепловым излучением (Вт/м²). Эти параметры отдельно и вкомплексе влияют на организм человека, определяя его физическое состояние и,соответственно, производительность работы, поэтому является очень важнымсоблюдение производственной санитарии, техники безопасности и обеспечениеоптимальных условий труда работающих.
Согласно [ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ.Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования.] выполняемуюфизическую работу относим к категории 1а. К ней относятся работы, производимыесидя, стоя или связанные с ходьбой, но не требующие систематическогофизического напряжения или поднятия или переноски тяжестей. Значения параметровметеоусловий должны удовлетворять допустимым нормам по [ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ.Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования], представленным таблице — 6.1.
Таблица 6.1 — Допустимые нормытемпературы, относительной влажности и скорости движения воздуха в рабочей зонепомещения ВЦПериод года Допустимое значение температуры, С Допустимое значение относительной влажности, % Допустимое значение скорости движения воздуха, м/с Холодный 20-24 не более 75 не более 0.1 Теплый 22-28
не более 70
(при 25 °С) не более 0.1-0.2
Реально, в помещении поддерживаютсяописанные выше значения показателей благодаря наличию системы отопления ивентиляции.
6.1.5Эргономика и техническая эстетика
Конструкциярабочего места и взаимное расположение всех его элементов (сиденье, органы управления, средства отображения информации) должны соответствовать антропометрическим, физиологическим и психофизиологическим требованиям, а также характеру работы.
Размещениеиндикаторов и панелей управления производится согласно принципам:
· функциональнойорганизации;
· по значимости;приборы сгруппированы в зависимости от того, насколько решающими они являютсядля выполнения группы операций;
· частотыиспользования.
Индикаторызанимают центральную часть. Все это соответствует требованиям ГОСТ 12.2.032-78;ГОСТ 12.2.033-78, ГОСТ 12.2.049-80.
Конструкцией рабочего места обеспеченооптимальное положение работающего, выполнение трудовых операций в пределах зоныдосягаемости, размещение органов управления таким образом, чтобы при работедвумя руками не было их перекрещивания.
6.1.6Электробезопасность
Исключительнобольшое значение, для электробезопасности имеет правильная организацияобслуживания действующих электроустановок, проведения ремонтных, монтажных ипрофилактических работ. При этом под правильной организацией понимается строгоевыполнение ряда организационных и технических мероприятий и средств.
Помещениеотносится к классу без повышенной опасности, так как нет условий, создающихповышенную опасность (полы покрыты изолирующим материалом, температура впомещении не превышает 25оС).
Впомещении используется электрическое оборудование, принадлежащее к I классу Электротехнических условий поГОСТ 12.1.013-79.ССБТ. Электробезопасность. Общие требования, то есть изделия,имеющие, по крайней мере, рабочую изоляцию и элемент для заземления. Всеустановки работают под напряжением 220 В переменного тока.
Впомещении приняты меры безопасности при эксплуатации электроустановок.Обеспечена недоступность токоведущих частей для случайного прикосновения (всеприборы находятся в корпусах, все панели заблокированы). Осуществляютсяорганизационные мероприятия. Это инструктаж по технике безопасности на рабочихместах, периодическая проверка качества заземления и сопротивления изоляции.Кроме того применено зануление, расчет которого приведен далее.
6.2 Расчетзануления
Опасностьпоражения токомпри прикосновении к корпусу и другим нетоковедущимметаллическим частям электрооборудования, оказавшимся под напряжениемвследствие замыкания на корпус и по другим причинам, является основной причинойполучения персоналом травм. Эта опасность может быть устранена быстрымотключением поврежденной установки от питающей сети и вместе с тем снижениянапряжения корпуса относительно земли. Для этой цели служит зануление.
Зануление- преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводникомметаллических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.
Нулевойзащитный проводник – это проводник, соединяющий зануляемые части сглухозаземленной нейтральной точкой источника тока или ее эквивалентом.Эквивалентом нейтральной точки источника тока могут быть: средняя точкаисточникапостоянного тока, заземленный вывод источника однофазного тока, искусственнаянейтральная точка сети, созданная с помощью трансформаторов, резисторов и т. п.
Принципдействия зануления — превращение замыкания на корпус в однофазное короткоезамыкание (т.е. между фазным и нулевым защитным проводниками) с целью вызватьбольшой ток, способный обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматическиотключить поврежденную установку от питающей сети.
Основныетребования, предъявляемые к занулению:
· проводник должен иметь проводимость неменее 50 % от проводимости фазного провода;
· повторные заземлители должнырасполагаться через каждые 250 метров, а также находится на концах линии иответвлений длинной более 200 метров;
· сопротивление заземления нейтрали (R0) должно быть не более 4 Ом (лишь для источниковнебольшой мощности до 100 кВА сопротивление нейтрали может составлять 10 Ом );
· сопротивление заземления каждого изповторных заземлителей (Rп) должно быть не более 10 Ом, а в сетях, в которых R0 допускается, оно может составлять 30 Ом при условии, чточисло повторных заземлителей в этой сети не менее трех;
· ток короткого замыкания Iк должен в три раза превышать номинальный ток ближайшейплавкой вставки предохранителя или номинальный ток расцепителя автоматическоговыключателя;
· в одной и той же сети запрещаетсяодновременно выполнять защитное заземление и зануление различных корпусов.Одновременное заземление и зануление одного оборудования не представляетопасности и допускается./> />
Рисунок 6.2 — Схема зануления оборудования.
Цельюрасчета зануления является определение условий, при которых оно быстроотключает поврежденную установку от сети, выбор сечения фазного и нулевогопроводника, выбор устройства защиты, расчет повторного заземления нейтрали.
Автоматзащиты размещается в распределительном щите. Схема зануления рабочих местприведена на рисунке 6.2. Цифрами обозначены :
1- распределительный щит;
2- нейтраль источника тока;
3- защитный нулевой проводник;
4- повторное заземление нейтрали;
5- рабочие места.
Призамыкании фазы на зануленный корпус электроустановка автоматически отключится,если значение тока однофазного короткого замыкания Iк,А, удовлетворяет условию :
Iк≥ к * Iном ,
где: Iк — номинальный ток плавкой вставкипредохранителя или ток срабатывания автоматического выключателя, А;
к — коэффициент кратности тока.
Дляавтоматов с номинальным током до 100 А кратность тока должна быть не менее 1,4.
Определимток срабатывания автомата защиты. Предполагаем, что суммарная потребляемаямощность измерительной аппаратурой, приборами освещения и другими установками иприспособлениями не превышает 6 кВт. Тогда потребляемый ток :
Iпот= 6000 / 220 = 27,3 А ; (6.1)
Токсрабатывания автомата защиты должен быть больше, чем потребляемый. Автоматы,выпускаемые промышленностью рассчитаны на стандартный ряд номинальных токовсрабатывания. Большее ближайшее значение из этого ряда составляет 30 А. Исходяиз этого выберем автомат защиты типа .
/> Определим ток короткого замыкания:
/>
/>/> ; (6.2)
где Uф — напряжение сети; Rф и Rн — активные, а Хф и Хн- внутренние индуктивные сопротивления фазного и защитного нулевогопроводников соответственно ; Хп — сопротивлениевзаимоиндукции петли фаза — ноль.
Длямедных и алюминиевых проводов можно пренебречь Хф и Хн.Также для применяемого кабеля можно пренебречь величиной Хп.С учетом сделанных допущений, а также формулы (6.1) :
/> ; (6.3)
Полнаяпроводимость нулевого защитного провода согласно сделанных ранее замечаний :
Rн≤ 2 *Rф ; (6.4)
ПустьRн = 1.5*Rф, тогда формулу (3) запишем следующимобразом:
/> (6.5)
Всправочных данных для трансформатора мощностью 25 кВт при схеме соединенияобмоток типа «звезда» и напряжением 380/220 В полное сопротивлениетрансформатора ZТ= 3,11 Ом.
Определимсопротивление фазного провода Rф :
/> ; (6.6)
Rф= 2,93 Ом.
Определимсопротивление защитного провода Rн= Rф .
Выберемсечение проводов. При наибольшей длительно допустимой нагрузке для медныхпроводов с резиновой изоляцией 30 А (при температуре окружающей среды 250С) сечение составляет 2,5 мм2.Сечение алюминиевых проводов при техже условиях — 4 мм2.
Проведемрасчет поверхностных заземлителей нейтрали. Согласно ПУЭ сопротивлениезаземления нейтрали трансформатора при напряжении 380/220 В не должно превышать4 Ом. Сопротивление каждого из повторных заземлителей должно быть не более 10Ом.
Повторныезаземлители расположены на воздушных линиях через каждые 250 м. Рассмотрим дваварианта заземления :
1. Заземлителирасположены в черноземе.
2. Заземлителирасположены в глинистой почве.
Соответственныерасчетные удельные сопротивления на черноземе r1=200 Ом*м, на грунте r2 =40 Ом * м.
Вкачестве заземлителей применим трубчатые вертикальные электроды диаметром 50 мми длинной 2,5 м, расположенные на глубине 0,7 м.
Определимсопротивление растекания тока одного вертикального стержневого электрода:
/> ; (6.7)
где l и d — длинна и диаметр электрода соответственно, м ;
t — глубина заложения середины электрода от поверхности земли, м ;
r — расчетное удельное сопротивлениегрунта, Ом*м.
/>
/>
1. Для чернозема Rc1= 47,1 Ом.
2. Для грунта Rc1= 9,4 Ом.
Порассчитанным данным можно сделать вывод, что для обеспечения качественногозаземления на грунте достаточно одного заземленного электрода, в то время какна глинистой почве необходимы несколько электродов, соединенные стальнойполосой сечением 4х12 мм и длинной 2,5 м. Определим сопротивление растеканиятока для полосы :
/>; (6.8)
где L — длинна полосы, м;
b — ширина полосы, м;
t — глубина заложения полосы, м.
/>
Rп= 76 Ом
Определимобщее сопротивление заземляющего устройства расположенного на глинистой почве:
/>; (6.9)
гдеhс и hн — коэффициенты экранирования,приведенные в [10].
/>
Rз= 9,1 Ом.
Такимобразом, чтобы обеспечить требуемое сопротивление повторных заземлителей не более10 Ом необходимо применить на глинистой почве один вертикальный электрод ишесть вертикальных электродов, соединенных стальной полосой при черноземе.Заземлители выполнены из стальных труб длиной 2,5 м, диаметром 50 мм и вкопанына глубину 0.7 м.
6.3 — Охранаокружающей среды
В наш век научно технической революции, загрязнениеокружающей среды становится важной проблемой для мирового сообщества. Основнымисточником загрязнения атмосферного воздуха являются промышленные предприятия,тепловые электростанции, автотранспорт, самолеты и сельскохозяйственноепроизводство. Ежегодно в атмосферу планеты выбрасывается 200 млн. т. оксидауглерода, 151 млн. т. оксида серы, свыше 500 млн. т. различных углеводородов,более 250 млн. т. мелкодисперсных аэрозолей (пыли) и многих других веществ.
Охрана атмосферного воздуха достигается очисткой выбросовпредприятий, снижением выбросов автотранспорта, выделением санитарно-защитныхзон и применением безотходных производств. Предприятия или их отдельные зданияи сооружения с технологическими процессами, выделяющими в воздух вредныевещества, отделяют от жилых застроек санитарно-защитными зонами (леснымиполосами или участками земли). Размеры санитарно-защитных зон в зависимости откласса предприятия устанавливаются по санитарным нормам проектированияпромышленных предприятий СН 245-71.
На нашем предприятии в результате процесса изготовленияпечатных плат и пайки выделяются большое количество пыли, паров свинца, оловаи флюсов. Очистка выбросов от пыли может быть грубой (когда задерживаетсякрупная пыль с размером частиц более 50 мкм), средней (задерживается пыль от 10до 50 мкм) и тонкой (задерживается пыль до 10 мкм). Для обеспыливания выбросовприменяют пылеулавливающие устройства, которые можно разделить на две группы –улавливающие частицы пыли в сухом состоянии («сухие» аппараты) игазопромыватели, в которых пыль улавливается после увлажнения («мокрые»аппараты). Сухие пылеуловители более совершенны и, кроме того, позволяютвозвратить уловленную пыль в производство. Для быстрого удаления вредных длядыхательной системы человека веществ воспользуемся вытяжной механическойвентиляцией. В качестве устройства очистки воздуха можно применить пористые,нитеобразные или ватообразные материалы, что уменьшит загрязнение окружающей средынашим предприятием.
Входе проделанной работы был рассмотрен ряд факторов, влияющих наработоспособность персонала, работающего в производственном цехе по сборке иналадке устройства измерения отношения напряжений. Был предложен ряд мер поулучшения условий труда работающих. В завершении был произведен расчетзануления и поднят вопрос об охране окружающей среды. Были рассмотрены причинызагрязнения природы, и был предложен вариант очистки производственных выбросов.
7 ГРАЖДАНСКАЯ ОБОРОНА
7.1Оценка устойчивости производства измерителя отношения напряжений призагрязнении радиоактивными веществами после аварии на АЭС
Приразработке дипломного проекта следует уделять внимание не толькоэлектрическому, конструктивно – технологическому расчету, но и следуетпредусмотреть меры безопасности жизнедеятельности обслуживающего персонала приизготовлении печатной платы от крупных различных аварий, стихий, в частности,нужно обеспечить устойчивую работу устройства в условиях повышенной радиации.
Современныйэтап развития мировой экономики характеризуется неустанным ростом ядернойэнергетики. В настоящее время на Украине находится в эксплуатации 4 атомныхэлектростанции (13 реакторов), что составляет 40% энергии, производимой на АЭСстраны. Эксплуатация объектов с ядерными компонентами сопровождается авариями,утечкой радиоактивных веществ, что наносит значительный политический,экономический, экологический и психологический ущерб. Последствия таких авариймогут иметь непредсказуемые результаты.
Наличиерадиоактивных продуктов, которые определяют радиационную обстановку в районеАЭС и зонах радиоактивного загрязнения, оказывает существенное влияние надействия формирований, режимы проживания населения и на проведение аварийно –спасательных работ. Радиоактивное имеет ряд особенностей, отличающих его отдругих поражающих факторов ядерного взрыва. К ним относятся: большая площадьпоражения, до десяти тысяч квадратных километров; длительное сохранениепоражающего действия (иногда до месяца), а также трудность обнаружениярадиоактивных веществ не имеющих цвета, запаха и других внешних признаков. Вотпочему необходимо произвести оценку радиационной обстановки при аварии наАЭСметодом прогноза.
Исходнымиданными для оценки радиационной обстановки являются:
- Тип реактора – 1;
- Доля выброшенныхрадиоактивных веществ из реактора – n =30%;
- Расстояние отобъекта до аварийного реактора – Rx= 33.7 км;
- Время аварииреактора – Тав = 10.00 час;
- Продолжительностьработы на объекте – Траб = 12 час;
- Допустимая дозаоблучения – Дуст = 0.3;
- Коэффициентослабления радиации – Косл = 3;
- Скорость ветра навысоте 10 метров – V10 = 5 м/с;
- Облачность- 3 балл;
- Время начала работна объекте – Тнач = 2 час.
1. Oпределяем категорию устойчивостиатмосферы, соответствующую погодным условиям и заданному времени суток. Поусловию: облачность отсутствует (3 балла), день, скорость приземного ветра V10 = 5 м/с. Согласно таблице 2.1 категория устойчивости Д –нейтральная (изометрия).
2. Определяемсреднюю скорость ветра Vср в слое распространения радиоактивного облака. Согласнотаблице 2.2 для категории устойчивости Д и скорости приземного ветра V10 = 5 (м/с) средняя скорость ветра 5 (м/с).
3. Для заданноготипа ЯЭР (РБМК – 1000) и доли выброшенных радиоактивных веществ (n = 30%), определяем размерыпрогнозируемых зон загрязнения местности и наносим их в масштабе в видеправильных эллипсов.Индекс зоны М А Б В Длина зоны, км 496,2 126,4 33,7 9,96 /> />
Рисунок7.1 — Размеры прогнозируемых зон загрязнения местности
4. Исходя иззаданного расстояния от объекта народного хозяйства (Rx = 33,7 км) до аварийного реактора сучетом образующихся зон загрязнения устанавливаем, что объект оказывается навнешней границе зоны Б.
5. Определяем времяначала формирования радиоактивного загрязнения (tф)после аварии. Для Rx = 33,7 км, V= 5 м/с, категории устойчивости Д и средней скорости ветра Vср = 5 м/с, tср= 1,5 час.Следовательно, объект народного хозяйства через 1,5 часа после аварии окажетсяв зоне радиоактивного загрязнения, что потребует принятия дополнительных мерзащиты рабочих и служащих.
6. По таблице длязоны загрязнения Б с учетом времени начала работ (Тнач = 2 час) ипродолжительности работы (12.00 час) определяем дозу облучения, которую получатрабочие и служащие объекта при открытом расположении объекта на краю зоны Б.
/>; />.
С учетомнахождения объекта на внешней границе зоны ''Б'' дозу облучения определяем поформуле:
/>, где /> принимаютравным значению, согласно исходным данным.
/>
Расчетыпоказывают, что рабочие и служащие объекта за 12 часов работы получат дозуоблучения 3,33 (рад), что превышает допустимую дозу облучения:
/>
7. С учетомнахождения объекта на внешней границе зоны ''Б'' дозу облучения определяем поформуле:
/>
Расчетыпоказывают, что рабочие и служащие объекта за 7 часов работы получат дозуоблучения 3,33(рад), что превышает допустимую дозу облучения:
/>
8. Используя данныетаблицы 2.10, определяем допустимое время начала работы рабочих и служащихобъекта после аварии на АЭС при условии получения Добл не более 5рад:
/>
/>
/>
Следовательно,рабочие и служащие объекта, чтобы получить дозу не выше установленной могутначинать работу в зоне ''Б'' и выполнить ее в течении 1 часов, не ранее, чемчерез 2 месяца после аварии на АЭС.
Такимобразом, на основании исходных данных и полученных расчетов предусмотреныследующие мероприятия по защите различных категорий личного состава объекта,оказавшегося в зоне радиоактивного загрязнения местности.
Таблица 7,1 –Расчетные данные
/>
Основныемероприятия:
1. Обеспечитькруглосуточное радиационное наблюдение измерения проводить через каждые 1,5часа в соответствии с расчетом;
2. При обнаружениипревышения допустимой дозы облучения, а именно 0,3(рад), прохождениирадиоактивного облака рабочих и служащих объекта укрыть в убежище;
3. До спада уровнярадиации ниже 0,3 рад личные силы персонала должны находится на загрязненнойместности в респираторах;
4. Во избежаниепереоблучения рабочие и служащие объекта могут возобновить работу в зоне «Б» ивыполнить ее в течении 1 часа, но не ранее, чем через 2 месяца после аварии наАЭС, в это время, после аварии, укрываться в убежищах;
5. Для исключениязаноса радиоактивных веществ необходимо провести герметизацию помещений илиустановить фильтровентиляционные агрегаты, провести дезактивационные работы.