Сравнительный Анализ Конструкций и Характеристик Датчиков Давления

В данном дипломном проекте сделана попытка разработки устройства для измерения и регулирования уровня минеральной воды в скважине.

Проблема измерения уровня минеральной воды в скважине довольно остро стоит перед санаторно-курортными комплексами Удмуртии и России. Дело в том, что минеральный состав воды напрямую зависит от глубины, с которой она забирается. Значительные отклонения от заданной глубины ведут к необратимым изменениям в составе воды, которая в результате может не только потерять свои лечебные свойства, но и принести вред организму человека. Вся важность проблемы полностью осознается специалистами, принимаются определенные меры. До недавнего времени измерения производились вручную, но очевидно, что при этом страдает точность; у ручного измерения также существует определенный предел по глубине. Таким образом, перед работниками санаторно-курортных комплексов встала проблема точного, по возможности простого и автоматизированного контроля уровня воды в скважине.

В данном проекте предложен способ измерения уровня жидкости, с использованием современных датчиков давления.

Устройство и принцип работы схемы измерения

Для измерения уровня минеральной воды используется изменение давления воздуха внутри вертикально установленной трубки, нижний конец которой опущен в воду, а верхний соединен с входом Р₂ (сторона давления) датчика абсолютного давления MPX2200 AP. Регулировка уровня обеспечивается в пределах 10 мм. Откачка воды осуществляется с помощью насоса, который коммутируется управляющим модулем, соединенным с выходом датчика.

Управляющий модуль содержит:

• усилитель сигнала датчика

• триггер Шмидта, управляемый от усилителя

• оптоэлектронный ключ переменного тока МОС2А60, управляемый триггером и включающий мотор насоса,

• вторичный источник питания (+8 В),

• светодиод D1, индицирующий включение мотора.

Примененный оптоэлектронный ключ фирмы Моторола МОС2А60 способен коммутировать ток до 2А от сети 220 В, 50/60 Гц.

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Расчет сметы затрат на разработку изделия

1. Состав исполнителей и виды работ.

В этом разделе необходимо определить количественный и качественный состав исполнителей и виды работ.

Структура и продолжительность этапов работ.

2. Календарный план-график работ.

Календарный план-график работ.

Продолжение

Календарный план-график работ.

Продолжение

3. Расчет сметы затрат на разработку

Смета затрат представляет собой плановую себестоимость разработки аппаратного средства и составляется на весь объем работ.

Смета затрат

Материалы основные и вспомогательные.

На эту статью относятся расходы на приобретение и доставку основных и вспомогательных материалов, необходимых для опытно-экспериментальной проработки решения, для изготовления опытного образца оборудования.

Сюда включаются как стоимость материалов, расходуемых при изготовлении образцов (текстолит, клей, припой, кислоты и т.п.), так и материалов, необходимых для оформления требуемой документации (ватман, калька, канцелярские материалы и т.п.). На эту статью относятся транспортно-заготовительные расходы по их доставке. Размер ТЗР определяется в % от стоимости основных и вспомогательных материалов, принятых на предприятии (в среднем 10%).

Расчет стоимости материалов

Покупные комплектующие изделия.

На эту статью относится стоимость используемых при проработке решения микросхем, разъемов, конденсаторов, соединительных проводов и т.п.

Расчет стоимости покупных комплектующих изделий

Амортизация основных фондов

По этой статье учитываются затраты, связанные с эксплуатацией при проработке решения специального оборудования: компьютеры, стенды, тестовое оборудование и т.п. Расчет этих затрат производится по формуле:

С_АМ= k_б Н_а  Д_т / Д_q,

Где:

k_б – балансовая стоимость оборудования, руб.,

Н_а – годовая норма амортизации на полное восстановление,

Д_т – продолжительность эксплуатации оборудования при проработке (дни),

Д_q – действительный (эффективный) годовой фонд времени (дни).

Расчет затрат на амортизацию

С_ам= 15000  0.125  (80 / 248)= 605 руб.

Расходы по оплате труда.

По статье учитываются выплаты по заработной плате за выполненную работу, вычисленные на основании тарифных ставок и должностных окладов, в соответствии с принятой в организации-разработчике системой оплаты труда.

Кроме того, по данной статье могут отражаться премии за производственные результаты, надбавки и доплаты за условия труда, оплата ежегодных отпусков, выплата по районным коэффициентам и некоторые другие расходы.

С_от= З_от (1 + К_п + К_д + К_о + К_р),

Где:

З_от– заработная плата ответственного исполнителя по тарифу или окладу за отработанное время. (З_от= Т_д  Д, где Т_д – среднедневная заработная плата исполнителей, руб., Д – количество дней, отработанных исполнителем при проработке).

К_п – коэффициент премиальных доплат, принятый в организации разработчике.

К_д – коэффициент, учитывающий надбавки и доплаты за условия труда, принятый в организации-разработчике.

К_о – коэффициент, учитывающий оплату ежегодных отпусков, принятый в организации-разработчике.

К_р – коэффициент районных доплат, равен 0.15.

Расчет расходов по оплате труда.

Отчисления на социальные нужды

Статья учитывает отчисления организации-разработчика во внебюджетные государственные фонды (пенсионный фонд, фонд занятости, фонд социального страхования и фонд обязательного медицинского страхования).

С_сн= С_от  Н_сн,

Где:

С_от – суммарные расходы на оплату труда, руб.

Н_сн – норматив отчислений на социальные нужды.

Примечание: на 01.05.98 этот норматив составил 38%.

С_сн= 8264  0.38 = 3140.32 руб., округляя, получим:

С_сн = 3141 руб.

Накладные расходы.

Статья учитывает затраты организации-разработчика на содержание аппарата управления, обслуживающего персонала, расходы на охрану, содержание зданий и сооружений, текущий ремонт, расходы на отопление и освещение и т.п.

С_нр= С_от  К_нр,

Где:

К_нр – коэффициент накладных расходов, принятый в организации-разработчике.

С_нр = 8264  2 = 16528 руб.

Прочие расходы.

Это статья предусматривает расходы, не предусмотренные в других статьях затрат, которые можно отнести на данную тему прямым счетом. Это могут быть затраты организации-разработчика, связанные с эксплуатацией ВЦ, производственными командировками и т.п.

С_пр= С_от К_пр,

Где:

К_пр – коэффициент прочих расходов, примем его равным 15%.

С_пр= 8264  0.15 = 1239.6, округляя, получим:

С_пр= 1240 руб.

ОХРАНА ТРУДА

Электробезопасность

Электричество широко применяется во всех отраслях народного хозяйства, в быту, в медицине и т.д. Поэтому вопросам электробезопасности нужно уделять большое внимание. Электробезопасность – это система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества.

Действие электрического тока на организм

Проходя через организм, электрический ток оказывает термическое, электролитическое и биологическое действия.

Термическое действие выражается в ожогах отдельных участков тела, нагреве кровеносных сосудов, нервов и других тканей. Электролитическое действие выражается в разложении крови и других органических жидкостей, что вызывает значительные нарушения их физико-химических составов.

Биологическое действие является особым специфическим процессом, свойственным лишь живой материи. Оно выражается в раздражении и возбуждении живых тканей организма, (что сопровождается непроизвольными судорожными сокращениями мышц), а также в нарушении внутренних биоэлектрических процессов, протекающих в нормально действующем организме и теснейшим образом связанных с его жизненными функциями. В результате могут возникнуть различные нарушения в организме, в том числе нарушение и даже полное прекращение деятельности органов дыхания и кровообращения. Раздражающее действие тока на ткани организма может быть прямым, когда ток проходит непосредственно по этим тканям, и рефлекторным, т.е. через центральную нервную систему, когда путь тока лежит вне этих тканей.

Это многообразие действий электрического тока нередко приводит к различным электротравмам, которые условно можно свести к двум видам: местным электротравмам и общим электротравмам (электрическим ударам).

Местные электротравмы – это четко выраженные местные повреждения тканей организма, вызванные воздействием электрического тока или электрической дуги. Различают следующие местные электротравмы: электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, механические повреждения и электроофтальмия.

Электрические ожоги могут быть вызваны протеканием тока через тело человека (токовый или контактный ожог), а также воздействием электрической дуги на тело (дуговой ожог). В первом случае ожог возникает как следствие преобразования энергии электрического тока в тепловую и является сравнительно легким (покраснение кожи, образование пузырей). Ожоги, вызванные электрической дугой, носят, как правило, тяжелый характер (омертвление пораженного участка кожи, обугливание и сгорание тканей).

Электрические знаки – это четко очерченные пятна серого или бледно-желтого цвета диаметром 1-5 мм на поверхности кожи человека, подвергшегося воздействию тока. Электрические знаки безболезненны, и лечение их заканчивается, как правило, благополучно.

Металлизация кожи – это проникновение в верхние слой кожи мельчайших частичек металла, расплавившегося под воздействием электрической дуги. Обычно с течением времени больная кожа сходит. Пораженный участок приобретает нормальный вид и исчезают болезненные ощущения.

Механические повреждения являются следствием резких непроизвольных судорожных сокращений мышц под действием тока, проходящего через тело человека. В результате могут произойти разрывы кожи, кровеносных сосудов и нервной ткани, вывихи суставов и даже переломы костей. Механические повреждения возникают очень редко.

Электроофтальмия – воспаление наружных оболочек глаз, возникающее в результате воздействия мощного потока ультрафиолетовых лучей электрической дуги. Обычно болезнь продолжается несколько дней. В случае поражения роговой оболочки глаз лечение оказывается более сложным и длительным.

Электрический удар – это возбуждение живых тканей организма проходящим через него электрическим током, сопровождающееся непроизвольными судорожными сокращениями мышц. Различают следующие четыре степени ударов: I – судорожное сокращение мышц без потери сознания; II - судорожное сокращение мышц с потерей сознания, но с сохранившимся дыханием и работой сердца; III – потеря сознания и нарушение сердечной деятельности или дыхания (либо того и другого вместе); IV – клиническая смерть, т.е. отсутствие дыхания и кровообращения.

Клиническая («мнимая») смерть – переходный процесс от жизни к смерти, наступающий с момента прекращения деятельности сердца и легких. У человека, находящегося в состоянии клинической смерти, отсутствуют все признаки жизни: он не дышит, сердце его не работает, болевые раздражения не вызывают никаких реакций, зрачки глаз расширены и не реагируют на свет. Однако в этот период жизнь в организме еще полностью не угасла, так как ткани его умирают не все сразу и не сразу угасают функции различных органов. В первый момент почти во всех тканях продолжаются обменные процессы, хотя и на очень низком уровне и резко отличающиеся от обычных, но достаточные для поддержания минимальной жизнедеятельности. Эти обстоятельства позволяют воздействием на более стойкие жизненные функции организма восстановить угасающие или только что угасшие функции, т.е. оживить умирающий организм.

Первыми начинают погибать очень чувствительные к кислородному голоданию клетки коры головного мозга, с деятельностью которых связаны сознание и мышление. Поэтому длительность клинической смерти определяется временем с момента прекращения сердечной деятельности и дыхания до начала гибели клеток коры головного мозга; в большинстве случаев она составляет 4-5 мин, а при гибели здорового человека от случайной причины, например от электрического тока,
7-8 мин. После этого происходит множественный распад клеток коры головного мозга и других органов.

Биологическая (истинная) смерть – необратимое явление, характеризующееся прекращением биологических процессов в клетках и тканях организма и распадом белковых структур; она наступает по истечении периода клинической смерти.

Причины поражения электрическим током и

основные меры защиты

Основные причины несчастных случаев от воздействия электрического тока следующие:

1. случайное прикосновение или приближение на опасное расстояние к токоведущим частям, находящимся под напряжением;

2. появление напряжения на конструктивных металлических частях электрооборудования – корпусах, кожухах и т.п. – в результате повреждения изоляции и других причин;

3. появление напряжения на отключенных токоведущих частях, на которых работают люди, вследствие ошибочного включения установки;

4. возникновение шагового напряжения на поверхности земли в результате замыкания провода на землю.

Основными мерами защиты от поражения током являются: обеспечение недоступности токоведущих частей, находящихся под напряжением, для случайного прикосновения; электрическое разделение сети; устранение опасности поражения при появлении напряжения на корпусах, кожухах и других частях электрооборудования, что достигается применением малых напряжений, использованием двойной изоляции, выравниванием потенциала, защитным заземлением, занулением, защитным отключением и др.; применение специальных электрозащитных средств – переносных приборов и приспособлений; организация безопасной эксплуатации электроустановок.

Недоступность токоведущих частей электроустановок для случайного прикосновения может быть обеспечена рядом способов: изоляцией токоведущих частей, размещением их на недоступной высоте, ограждением и др.

Электрическое разделение сети – это разделение электрической сети на отдельные электрические не связанные между собой участки с помощью специальных разделяющих трансформаторов. В результате изолированные участки сети обладают большим сопротивлением изоляции и малой емкостью проводов относительно земли, за счет чего значительно улучшаются условия безопасности.

Применение малого напряжения. При работе с переносным ручным электроинструментом – дрелью, гайковертом, зубилом и т.п., а также ручной переносной лампой человек имеет длительный контакт с корпусами этого оборудования. В результате для него резко повышается опасность поражения током в случае повреждения изоляции и появления напряжения на корпусе, особенно, если работа производится в помещении с повышенной опасностью, особо опасном или вне помещения.

Для устранения этой опасности необходимо питать ручной инструмент и переносные лампы напряжением не выше 42 В.

Кроме того, в особо опасных помещениях при особенно неблагоприятных условиях (например работа в металлическом резервуаре, работа сидя или лежа на токопроводящем полу и т.п.) для питания ручных переносных ламп требуется еще более низкое напряжение – 12 В.

Двойная изоляция – это электрическая изоляция, состоящая из рабочей и дополнительной изоляции. Рабочая изоляция предназначена для изоляции токоведущих частей электроустановки. Обеспечивая ее нормальную работу и защиту от поражения током. Дополнительная изоляция предусматривается дополнительно к рабочей для защиты от поражения током в случае повреждения рабочей изоляции. Двойную изоляцию широко применяют при создании ручных электрических машин. При эксплуатации таких машин заземление или зануление их корпусов не требуется.

Защитное заземление

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения людей электрическим током при появлении напряжения на конструктивных частях электрооборудования, т.е. при замыкании на корпус.

Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования, а также выравниванием потенциалов за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек, до потенциала, близкого по значению к потенциалу заземленного оборудования.

Именно этот вид обеспечения электробезопасности персонала был использован мною при разработке данного дипломного проекта.

Средства защиты, применяемые в
электроустановках

В процессе эксплуатации электроустановок нередко возникают условия, при которых даже самое совершенное их выполнение не обеспечивает безопасности работающего и требуется применение специальных средств защиты. Например, при работах вблизи токоведущих частей, находящихся под напряжением, существует опасность прикосновения к этим частям, и поэтому требуется специальная изоляция инструмента и работающего; при работах на отключенных токоведущих частях – шинах, проводах и т.п. – имеется опасность случайного появления напряжения на них, поэтому должны быть приняты меры, исключающие ошибочную подачу напряжения к месту работ и вместе с тем устраняющие опасность поражения током работающих в случае включения электроустановки под напряжение.

Такими средствами защиты, дополняющими стационарные конструктивные защитные устройства электроустановок, являются переносные приборы и приспособления, служащие для защиты персонала, работающего в электроустановках, от поражения током, от воздействия электрической дуги, продуктов горения, падения с высоты и т.п.

Средства защиты условно делятся на три группы: изолирующие, ограждающие и предохранительные.

Среди всех средств защиты особое место занимают электрозащитные средства, служащие для защиты от поражения током; к ним относятся все изолирующие средства защиты и часть ограждающих средств.

Изолирующие электрозащитные средства делятся на основные и дополнительные.

Основные изолирующие электрозащитные средства способны длительное время выдерживать рабочее напряжение электроустановки, и поэтому ими разрешается касаться токоведущих частей, находящихся под напряжением, и работать на этих частях. К таким средствам относятся: в электроустановках напряжением до 1000 В – диэлектрические резиновые перчатки, инструмент с изолирующими рукоятками и указатели напряжения до 1000 В (ранее назывались токоискателями); в электроустановках напряжением выше 1000 В – изолирующие штанги, изолирующие и электроизмерительные клещи, а также указатели напряжения выше 1000 В.

Дополнительные изолирующие электрозащитные средства обладают недостаточной прочностью и поэтому не могут самостоятельно защитить человека от поражения током. Их назначение – усилить защитное действие основных изолирующих средств, вместе с которыми они должны применяться. К дополнительным изолирующим средствам относятся : в электроустановках напряжением до 1000 В – диэлектрические галоши, коврики и изолирующие подставки; в электроустановках напряжением выше 1000 В – диэлектрические перчатки, боты, коврики, изолирующие подставки.

Изолирующие штанги предназначены для отключения и включения однополосных разъединителей, для наложения переносных заземлений, для производства измерений на токоведущих частях, находящихся под напряжением и других подобных работ.

Изолирующие клещи применяют при обслуживании находящихся под напряжением трубчатых предохранителей.

Электроизмерительные клещи являются переносными при борами, они служат для измерения силы тока и других электрических величин в работающей установке.

Указатели напряжения до 1000 В и выше используют для проверки наличия или отсутствия напряжения на токоведущих частях электроустановок.

Резиновые диэлектрические перчатки, галоши, боты и коврики как дополнительные электрозащитные средства применяют при операциях, выполняемых с помощью основных защитных средств. Кроме того, перчатки используют как основное изолирующее защитное средство при работах под напряжением до 1000 В, а галоши и боты – в качестве средства защиты от шаговых напряжений.

Изолирующие подставки применяют в качестве изолирующего основания.

Монтерский инструмент с изолирующими рукоятками используют при работах под напряжением в электроустановках до 1000 В.

Ограждающие средства защиты предназначены, для временного ограждения токоведущих частей (временные переносные ограждения-щиты, ограждения клетки, изолирующие накладки, изолирующие колпаки); для предупреждения ошибочных операций (предупредительные плакаты); для временного заземления отключенных токоведущих частей с целью устранения опасности поражения работающих током при случайном появлении напряжения (временные заземления).

Предохранительные средства защиты предназначены для индивидуальной защиты работающего от световых, тепловых и механических воздействий. К ним относятся защитные очки, противогазы, специальные рукавицы и т.п.

Исправность средств защиты должна проверяться осмотром пред каждым их применением, а также периодически через 6-12 месяцев. Изолирующие электрозащитные средства, а также накладки и колпаки периодически подвергаются электрическим испытаниям.

Заключение

Мне кажется, что проделанная работа представляет определенное значение и принесет определенную пользу. И дело даже не только в предложенном способе измерения уровня минеральной воды в скважине, хотя он полностью соответствует требованиям: экономичен, достаточно точен и полностью автоматизирован.

Для сравнения могу сказать, что альтернативой данному способу является акустический способ, суть которого заключается в том, что в скважину посылается звуковой сигнал, который, отражаясь от поверхности воды, приходит обратно и принимается с помощью электрокардиографа; далее этот сигнал расшифровывается, и принимается решение о ручном отключении насоса. Даже без проведения дополнительных расчетов можно с уверенностью сказать, что использование датчика давления обойдется значительно дешевле.

На мой взгляд, основной частью предложенного дипломного проекта является именно Сравнительный Анализ Конструкций и Характеристик Датчиков. В этом разделе сделана попытка анализа и систематизации данных по различным датчикам, выпускающимся безусловным на сегодняшний день лидером в этой области – фирмой Motorola.

Дело в том, что датчики давления (наряду с датчиками ускорения, температуры), а также предложенная схема измерения могут быть использованы при решении широкого спектра задач. Например, при контроле расхода топлива в автомобилях, количества перевозимой в железнодорожных цистернах нефти, в контрольно-измерительных машинах и т.п. Химические датчики могли бы быть использованы при разработке прибора по контролю за уровнем содержания СО в выхлопных газах.

Хочется верить, что предложенный переводной материал послужит на пользу обществу, позволит, например, создать специализированный справочник, который в значительной степени облегчит работу конструкторов.

Список источников информации

1. Справочник «Motorola: Sensor (device data)»
   Издано фирмой Motorola в США, Phoenix, Arizona.

2. Всемирная компьютерная информационная сеть Internet, серверы фирмы Motorola

3. Журнал «Электронные компоненты и системы», Киев, декабрь, 1997 г.

4. Й. Янсен «Курс цифровой Электроники», 4т.
   Издательство «Мир», Москва, 1987 г.

5. П. Хоровиц, У. Хилл «Искусство схемотехники», 2т.
   Издательство «Мир», Москва, 1983 г.

6. И. М. Дубровский, Б. В. Егоров, К. П. Рябошапка «Справочник по физике», Издательство «Наукова Думка», Киев, 1986 г.

7. Н. М. Кузьмич, В. П. Никитин «Англо – Русский Словарь по Радио- и Микроэлектронике»
   ТОО «Товарищество издателей «Отчина», 1995 г.

8. А. Е. Чернухин «Англо – Русский Политехнический Словарь»
   КФ МЦ «ТКИСО», 1994 г.

9. «Методические указания по Расчету сметы затрат на разработку изделия»
   Издательство ИжГТУ, 1997 г.

10. «Охрана труда в машиностроении»
    Издательство «Машиностроение», 1983 г.

Сравнительный Анализ Конструкций и Характеристик Датчиков.

Введение.

Для осуществления идеи по разработке устройства, регулирующего уровень минеральной воды в скважине с помощью датчика давления, очевидно, нужно было провести патентный поиск, а также сравнительный анализ конструкций и характеристик датчиков, что и было проделано мною. Полученные и переведенные с английского языка данные представлены в этом разделе. Мною была предпринята попытка анализа и систематизации данных, которые для удобства пользователя сведены в таблицы.

Датчики семейства Senseon фирмы Motorola включают в себя широчайший набор миниатюрных кремниевых датчиков ускорения, давления, а также химических датчиков. Миниатюрные кремниевые датчики имеют следующие преимущества:

• Высокая надежность

• Безукоризненная точность и постоянство всех рабочих характеристик

• Высокая технологичность

ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ

Датчики давления семейства Senseon выбирают производители медицинского и промышленного оборудования по всему миру. Они долговечны, точны и надежны, и вскоре вы обнаружите их в своей машине, в промышленном и сельскохозяйственном оборудовании, на душных и пыльных конвейерах, в вашем доме и в ближайшем магазине запчастей.

Основное устройство.

Датчик давления фирмы Motorola разработан с использованием монолитного кремниевого пьезорезистора, который генерирует изменяющееся в зависимости от величины давления напряжение на выходе. Резистивный элемент, который представляет собой датчик напряжений, ионно имплантирован в тонкую кремниевую диафрагму. Малейшее давление на диафрагму приводит к изменению сопротивления датчика напряжений, что в свою очередь изменяет напряжение на выходе пропорционально приложенному давлению. Датчик напряжений является составной частью диафрагмы, благодаря чему устраняются температурные эффекты, возникающие из-за разницы в тепловых расширениях датчика и диафрагмы. Параметры на выходе самого датчика деформаций зависят от температуры, так что при использовании в диапазоне температур, превышающих допустимые значения, требуется компенсация. В узких диапазонах температур, например от 0⁰С до 85⁰С, в этом качестве может быть использована простая резисторная схема. В диапазоне температур от –40⁰С до +125⁰С потребуются расширенные компенсационные схемы.

Действие.

Датчики абсолютного давления измеряют внешнее давление относительно вакуума (нулевого давления), который запечатывается в эталонную камеру при производстве датчика.

Датчики дифференциального давления измеряют разницу между давлениями, одновременно приложенными к противоположным сторонам диафрагмы.

Датчики шаблонного давления, это частный случай датчика дифференциального давления. В качестве одного из давлений, приложенных к диафрагме, берется атмосферное давление.

Система цифровой маркировки датчиков давления.

MPXY#####ZZZZ

MPX– Motorola Pressure X-ducer (Запатентованная Моторолой технол