СВЧ приемник

Введение
Актуальной проблемой на сегодняшний день является разработка новых
методов получения электрической энергии, необходимой для питания
электрооборудования
автономных
устройств,
к
которым
относятся
навигационные буи, речные бакены и т. п. В них источниками электропитания
обычно являются сухие гальванические батареи и аккумуляторы различных
типов. Существуют устройства, в которых энергия вырабатывается от течения
воды и ветра. Эти устройства состоят из гидротурбины или лопастей,
соединяющиеся с электрогенератором.
В данном дипломном проекте предлагается навигационный буй, в
котором электрическая энергия вырабатывается при воздействии на него
течения, ветровой нагрузки и волнения поверхности воды. Устройство
содержит маятник, находящийся в надводной части буя, отклоняясь на
некоторый угол, он воздействует на пьезоэлемент, в результате механические
напряжения вызывают появление электрических зарядов на электродах
пьезоэлемента,
необходимое
полученная
напряжение
электрооборудованию
буя:
электрическая
питания,
энергия
накапливается
фотоавтомат
(с
преобразуется
в
и
к
лампой
поступает
накаливания),
радиопередатчик. Таким образом, в данном устройстве используется свойство
прямого пьезоэлектрического эффекта, т. е. возникновение электрической
поляризации под действием механического напряжения.
1 Анализ состояния проблемы
Буй (гол. boei) устанавливается на якоре в проливах, каналах, портах
или морях с целью ограждения банок, мелей, рифов и других опасных мест. В
зависимости от места расположения различают морские, речные, лиманные и
канальные буи [1]. По характеру видимого силуэта сигнальной фигуры
плавучие знаки делятся на четыре типа: 1-й тип – треугольный, 2-й тип –
прямоугольный, 3-й тип – круглый, 4-й тип – линейный. К последнему типу
относятся знаки удлинённой формы – ледовые буи и вехи. Высота
расположения огня над уровнем воды составляет от 1 до 3 м [2]. Буи в
основном изготавливают из металла, причём морские буи обладают к тому же
хвостовой частью (противовесом). Могут дополнительно снабжаться огнями,
отличительными фигурами, радиолокационными маяками-ответчиками и
звукосигнальными устройствами (свистком, колоколом). Окраска и освещение
зависят от принятой системы расстановки плавучих знаков [1].
Принятые в 1979 году на XI Ассамблее Международной морской
организации (IMO) решения о создании Глобальной морской системы связи
при бедствии (ГМССБ или GMDSS) стимулировали создание специальных,
принципиально новых средств для подачи сигналов бедствия и проведения
поисково-спасательных операций, позволяющих потерпевшим бедствие стать
их активными участниками на любом этапе [3].
Входящие
в
состав
ГМССБ
радиоэлектронные
средства,
предназначенные для использования при бедствии, выполняют следующие
функции:
1)
передачу сигналов для сообщения о бедствии, опознавания
терпящего бедствие и определения его координат вне зависимости
от района аварии;
2)
передачу сигналов для
обнаружения
терпящих
бедствие и
наведения на них спасательных судов или летательных аппаратов;
3)
обеспечение связи на месте проведения поисково-спасательных
работ и координации действий спасателей и спасаемых.
Для выполнения этих функций в состав каждого судна должны входить
следующие обязательные радиоэлектронные средства:
1)
аварийный радиобуй АРБ-406 спутниковой системы поиска и
спасения КОСПАС–САРСАТ;
2)
радиолокационный маяк-ответчик;
3)
переносная УКВ – радиостанция.
Особое место в Глобальной морской системе связи при бедствии
занимает Международная спутниковая система поиска и спасания КОСПАС–
САРСАТ, являющаяся единственным средством, способным в любое время
суток, в любых гидрометеорологических условиях и в любой точке земного
шара обнаружить терпящее бедствие судно, опознать его и определить с
высокой точностью его координаты.
При аварии судна радиобуй активируется. Это либо происходит
автоматически при попадании радиобуя в воду, либо буй активируется
вручную. Включенный АРБ излучает радиосигналы на частотах 406,025 МГц
(спутниковый канал) и 121,5 МГц (радиомаяк). На большинстве радиобуев
устанавливаются световые импульсные маяки для их визуального обнаружения
в темное время суток, а иногда и радиолокационный спасательный ответчик.
Сигналы спутникового канала используются для передачи сигналов
бедствия, опознавания (определения идентификационного номера АРБ) и
определения его координат. Сигналы радиомаяка с частотой 121,5 МГц
используются для поиска терпящих бедствие и наведения на них поисковых
самолетов, вертолетов и судов, оснащенных УКВ – пеленгаторами.
Сигналы АРБ с частотой 406 МГц принимаются вращающимися на
низких орбитах ИСЗ и ретранслируются на наземные станции для дальнейшей
обработки – определения координат, опознавания и передачи сообщения о
бедствии в координационный центр, в зону ответственности которого входит
место бедствия. Идентификация и опознавание АРБ осуществляется по
идентификационному номеру, выделяемому в России Государственным
предприятием
МОРСВЯЗЬСПУТНИК,
устанавливаемому
на
заводе-
изготовителе и содержащемуся в сигнале спутникового канала [3].
К аварийным радиобуям можно отнести следующие: АРБ-М-406, АРБМКС, АРБ-МКС-01, АРБ-ПК, АРБ-ПК-10, АРБ-ГС, АРБ-Е3 и др. [3,4].
В таблице 1.1 приведены технические характеристики АРБ-М-406 [4].
Таблица 1.1
Частота
Форматы сообщений
Модуляция
Глубина самоотделения
Выходная мощность передатчика
спутникового канала
Выходная мощность передатчика
ближнего привода, не менее
Длительность работы, не менее
Диапазон рабочих температур
Источники питания LSH20, ER20S
Срок службы батареи
Габариты
Масса, не более
Для
улучшения
406,028 МГц
Любой вид протокола для
морских судов
Фазовая (1,1 радиан)
от 2 до 4 м
от 3,2 до 7,8 Вт
0,05 Вт
48 ч
от минус 20 до плюс 55 0С
3 эл.
4 года
247×Ф123 мм
1,5 кг
эффективности
радиолокационного
обнаружения
объектов с низкой эффективной поверхностью рассеивания в ГМССБ введен
радиолокационный маяк-ответчик (РМО), предназначенный для установки на
спасательные плоты и шлюпки и являющийся обязательным элементом любых
морских судов [3].
РМО представляет собой приемопередатчик, работающий на частоте 9
ГГц, выделенной для судовых и авиационных радиолокаторов. РМО имеет
встроенный источник питания – батареи, обеспечивающие их длительное
хранение в заряженном состоянии. На больших судах РМО входят в комплект
спасательных плотов или шлюпок и после их спуска на воду устанавливаются
на заранее предусмотренные для этого места. Будучи включенным, РМО сразу
начинает работу в ожидающем режиме.
При облучении РМО сигналами радиолокатора он начинает излучать
ответные сигналы, которые легко обнаруживаются радарами и отображаются
на их экранах в виде характерной прямой прерывистой линии из точек,
позволяющей легко обнаружить терпящих бедствие на фоне отражений от
различных объектов, определить направление на ответчик и дальность до него.
Для оповещения терпящих бедствие о подходе спасателей в РМО имеется
звуковая или световая индикация, сообщающая об их облучении сигналами
судовых или авиационных радиолокаторов.
Согласно техническим условиям, РМО должны работать в ожидающем
режиме в течение 96 часов при температуре окружающей среды от -20 до +50°С
и обеспечивать прием радиолокационных сигналов и генерацию ответного
сигнала в штормовых условиях на расстоянии по меньшей мере 15 миль от
радиолокатора [3].
К РМО можно отнести следующие: радиомаяк Р-855А2, РМО RT-9,
РМО «ГУММИТ» и др. [4,5,6].
В таблице 1.2 приведены технические характеристики радиомаяка Р855А2 [4].
Таблица 1.2
Рабочие частоты
Мощность передатчика, не менее
Напряжение питания, от батареи
Прибой-2С
Время непрерывной работы от одной
батареи
Интервал рабочих температур
121,5 и 243 МГц
100 мВт
8,5 В
Габариты
Вес полного комплекта
130×68×32 мм
800 г
36 ч
от минус 60 до плюс 65 0С
Светосигнальные приборы, применяемые на внутренних водных путях,
содержат источник света и оптическую систему (линзу или отражатель),
перераспределяющую световой поток источника. Для изменения цветности
светового пучка используют соответствующие светофильтры. Сочетание
источника света, оптической системы и светофильтра принято называть
светооптической системой или световой частью прибора [2].
Источники света подразделяются на два основных вида – тепловые и
люминесцентные. К тепловым источникам относятся электрические лампы
накаливания и все пламенные источники света (ацетиленовые, пропановые) [2].
В таблице 1.3 приведены технические характеристики электрических
ламп накаливания [2].
Для
водных
сигнальных
ламп
нормируется
минимальная
продолжительность горения – число часов горения, до которого должно
догорать не менее 85 % ламп. При этом снижение светового потока от
минимального, установленного техническими условиями, должно быть не
более чем на 11 – 14 % у ламп на 6 В и не более чем на 28 – 40 % у ламп на 2,5
В.
К люминесцентным источникам света относятся газоразрядные,
полупроводниковые и радиоизотопные.
Газосветные трубки – газоразрядные источники света, в которых
используют свечение тлеющего разряда в инертных газах. К ним можно
отнести ГР-20 (газосветная, рекламная, номинальный ток 20 мА) с диаметром
от 10 до 18 мм, ГСК-5 и ГСЗ-5 (номинальный ток 5 мА). Напряжение горения
может изменяться от нескольких сот до 1000 В и более. Напряжение зажигания
в 1,5 – 2 раза выше напряжения горения. Продолжительность горения
составляет 6000 часов и выше.
Таблица 1.3
Номинальные значения
Тип лампы
СГВ 2,5-0,16
СГВ 2,5-0,16-1
СГВ 2,5-0,24
СГВ 2,5-0,24-1
СГВ 2,5-0,45
СГВ 2,2-0,45-1
СГВ 6-2-1
СГВ 6-2
СГВ 6-3-1
СГВ 6-3
СГВ 6-6-1
СГВ 6-6
СГВ 6-12-1
СГВ 6-12
Напряжение,
В
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
Существуют
Мощность,
Вт
0,4
0,4
0,6
0,6
1,1
1,1
2,0
2,0
3,0
3,0
6,0
6,0
12,0
12,0
автоматические
Световой
поток, лм
1,8
1,8
2,7
2,7
6,0
6,0
13,0
13,0
22,0
22,0
60,0
60,0
132,0
132,0
Продолжительность горения, ч
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
500
300
300
устройства,
управляющие
навигационными огнями, которые называются фотоавтоматами. Их основные
функции:
1)
включение навигационных огней на период тёмного времени суток
и выключение их на светлое время суток (для этого в
фотоавтоматах имеются светочувствительные фотодатчики);
2)
создание временных режимов горения огней (предусмотренных
ГОСТ
133311-74)
–
проблескового,
затмевающегося,
двухпроблескового, частопроблескового, группочастопроблескового
и
режима
постоянного
горения
огня.
Для
этого
в
фотоавтоматах имеются времязадающие генераторы.
В зависимости от применяемых ламп напряжение источника питания
фотоавтоматов может составлять 1,7 – 16,0 В и 220 В (сетевое напряжение).
Для плавучих навигационных знаков к автономными источниками
питания можно отнести сухие гальванические батареи (для разных типов
батарей начальное напряжение составляет 1,28 – 1,3 В, конечное напряжение –
0,7 – 1,0 В; допустимый ток разряда при непрерывном режиме горения – 0,25 –
0,6 А, в проблесковом режиме – 0,5 – 1,2 А; диапазон рабочих температур
составляет от минус 15 до плюс 40
0
С), щелочные аккумуляторы (ЭДС
полностью заряженного аккумулятора составляет 1,4
– 1,45 В, при
подключении нагрузки – 1,2 В; номинальный зарядный и разрядный ток
составляет 11,25 – 31 А и 5,65 – 12,50 А соответственно; диапазон рабочих
температур составляет от минус 20 до плюс 40 0С), солнечные батареи (ЭДС, не
менее 9,1 В; ток короткого замыкания, не менее 0,78 А; номинальный ток при
напряжении 7 В, не менее 0,66 А; диапазон рабочих температур составляет от
минус 30 до плюс 50 0С), радиоизотопные генераторы и др. [2].
Сухие гальванические батареи и щелочные аккумуляторы содержат в
себе редкоземельные материалы, что является причиной высокой стоимости
таких источников питания.
Известны устройства, которые вырабатывают энергию при воздействии
альтернативных источников, таких как проточная вода (реки, ручьи), ветер,
обладающие кинетической энергией, основным элементом которых является
гидротурбина или лопасти и генератор электрической энергии.
Гидравлической турбиной называется двигатель, предназначенный для
преобразования энергии водного потока в механическую энергию. При помощи
гидрогенератора, ротор которого обычно укрепляется на одном валу с
турбиной, механическая энергия вращения преобразуется в электрическую [7].
Гидравлические турбины по характеру передачи энергии водного
потока рабочему колесу делятся на две группы: реактивные и активные. К
реактивным
пропеллерные
турбинам
и
можно
отнести
поворотно-лопастные,
три
а
к
типа:
радиально-осевые,
активным
(свободноструйные) турбины.
Классификация гидротурбин приведена в таблице 1.4.
–
ковшовые
Таблица 1.4
поворотнолопастные
Реактивные
пропеллерные
радиальноосевые
Активные
ковшовые
Предельная
мощность, кВт
250
150
500
110
Коэффициент
полезного
действия
0,94
0,85
(малые)
0,92 – 0,94
(крупные)
0,92
0,88
Характеристика
Серьёзным недостатком гидротурбин является резкое снижение к. п. д.
при расходах, меньших расчётного. Например, у пропеллерных турбин при
расходе воды около 30 % расчётного к. п. д. приближается к нулю [7].
К устройствам, содержащих гидротурбину или лопасти и генератор
электрической энергии, можно отнести речной навигационный буй со
встроенной
гидроэнергетической
установкой,
генератор
универсальный,
машина для преобразования энергии воды, сигнальный буй, энергоагрегат,
плавучая маломощная гидроэлектростанция с вертикальным ротором, бакен с
автоматическим проблесковым огнём, устройство для преобразования энергии
гидравлического потока в электрическую [8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15].
Наиболее уязвимым элементом таких устройств является гидротурбина.
К её недостаткам можно отнести непостоянные обороты, ржавление, что
требует
проведения
регулярного
технического
обслуживания.
Также
гидротурбина может подвергаться механическим повреждениям от мусора,
плывущего по реке.
Наиболее ярким представителем этой группы устройств является
речной навигационный буй со встроенной гидроэнергетической установкой [8].
Сущность этого устройства поясняется на рисунке 1.1, на котором
изображена конструктивная схема буя со встроенной гидроэнергетической
установкой. Центральным элементом буя является поплавок 1, соединяющий
надводную часть, выполненную в виде сигнальной фигуры 2, и подводную
часть, имеющую ферменную конструкцию. Эта конструкция включает в себя
две вертикальные пластины 3, жестко связанные с поплавком 1 и нижней
поперечной пластиной 4, которая дополнительно связана с поплавком 1
четырьмя стойками 5. Между вертикальными пластинами 3 и стойками 5
установлена рама 6, в которой на опорах 7 размещена гидротурбина 8 с
вертикальным валом 9, соединенным гибкой передачей с валом генератора 10.
Генератор 11 размещен в водозащитной камере 12, которая смонтирована на
поплавке 1 внутри сигнальной фигуры 2. Вдоль нижнего края поплавка
установлен мусорозащитный щиток 13.
Данное устройство функционирует следующим образом. Буй обтекается
потоком воды, который взаимодействует с гидротурбиной, поплавком и
неподвижными деталями конструкции подводной части буя. Взаимодействие
потока с гидротурбиной приводит к её вращению, которое через вал турбины
передается ротору генератора. В результате в генераторе вырабатывается
электрический ток, необходимый для питания электрооборудования буя.
Монтаж гидротурбины в раме и размещение этой рамы внутри
ферменной конструкции в подводной части буя защищают гидротурбину от
повреждений. Защита от мусора осуществляется двумя способами. Первый
способ – установка мусорозащитного щитка вдоль нижнего края поплавка и
второй способ защиты – выбор расстояния между вертикальными пластинами,
конструкции гидротурбины и ее размеров такими, чтобы плывущий мусор, мог
беспрепятственно проходить через ферменную конструкцию подводной части
буя. Вращение гидротурбины способствует ее самоочищению [8].
1 – поплавок; 2 – надводная часть в виде сигнальной фигуры; 3 – вертикальная пластина; 4 –
нижняя поперечная пластина; 5 – стойка; 6 – рама; 7 – опора; 8 – гидротурбина, 9 –
вертикальный вал; 10 – вал генератора, 11 – генератор; 12 – водозащитная камера; 13 –
мусорозащитный щиток.
Рисунок 1.1 – Речной навигационный буй со встроенной гидроэнергетической
установкой
Известны
также
устройства,
в
которых
электрическая
энергия
вырабатывается в результате прямого пьезоэффекта. К ним можно отнести
пьезоэлектрическую газовую зажигалку с узлом жиклера, устройство для
воспламенения и сжигания горючей смеси в двигателях внутреннего сгорания,
способ
получения
трансформацией
разности
энергии
электрических
механической
потенциалов,
деформации
в
колесо
с
электрическую,
пьезоэлектрический генератор, пьезоэлектрический генератор постоянного
тока, устройство для преобразования энергии гидравлического потока в
электрическую, генератор постоянного тока, пьезоэлектрическая система
зажигания для двигателя внутреннего сгорания [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25, 26].
Пьезоэлектрический эффект в кристаллах был обнаружен в 1880 г.
братьями Пьером и Жаком
Кюри, наблюдавшими возникновение на
поверхности пластинок, вырезанных при определённой ориентировки из
кристалла кварца, электростатических зарядов под действием механических
напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению,
меняют знак вместе с ним и исчезают при его снятии [27, 28, 29].
Образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика и
возникновение
электрической
поляризации
внутри
него
в
результате
воздействия механического напряжения называют прямым пьезоэлектрическим
эффектом.
Наряду с прямым существует обратный пьезоэлектрический эффект,
заключающиеся в том, что в пластине, вырезанной из пьезоэлектрического
кристалла, возникает механическая деформация под действием приложенного к
ней электрического поля, причём величина механической деформации
пропорциональна напряжённости электрического поля.
Пьезоэлектричество появляется только в тех случаях, когда упругая
деформация
кристалла
сопровождается
смещением
центров
тяжести
положительных и отрицательных зарядов элементарной ячейки кристалла, т. е.
когда она вызывает индивидуальный дипольный момент, который необходим
для возникновения электрической поляризации диэлектрика под действием
механического напряжения. В структурах имеющих центр симметрии, никакая
однородная
деформация
не
сможет
нарушить
внутреннее
равновесие
кристаллической решётки и, следовательно, пьезоэлектрическими являются
кристаллы только 20 классов, у которых отсутствует центр симметрии.
Отсутствие центра симметрии является необходимым, но не достаточным
условием существования пьезоэлектрического эффекта, и поэтому не все
ацентричные кристаллы обладают им.
Пьезоэлектрический
эффект
не
может
наблюдаться
в
твёрдых
аморфных и скрытокристаллических диэлектриках (почти изотропных), так как
это противоречит их сферической симметрии. Исключение составляют случаи,
когда они становятся анизотропными под влиянием внешних сил и тем самым
частично приобретают свойства одиночных кристаллов. Пьезоэффект возможен
также в некоторых видах кристаллических текстур.
Существует
четыре
основные
группы
материалов,
из
которых
изготавливается пьезокерамика: титанат бария, цирконат-титанат свинца
(ЦТС), ниобат свинца, ниобат натрия-калия. Из них наиболее широкое
применение получили материалы на основе цирконата-титаната свинца, что
объясняется как высокими пьезоэлектрическими параметрами этих материалов,
так и возможностью изменять их в широких пределах. В таблице 1.5 приведены
характеристики некоторых материалов ООО "Аврора–ЭЛМА".
В настоящие время известно много веществ (более 500), обнаруживших
пьезоэлектрическую активность. Однако только немногие из них находят
практическое применение.
Таблица 1.5
Марка
материала
ЦТС-19
ЦТС-19М
ЦТСтБС-1
ЦТС-24
ЦТС-24М
ЦТССт-3
ЦТБС-3
ЦТСНВ-1
ЦТС-35
ЦТС-22
Диэлектри- Пьезомодуль Коэффициент
ческая
(d) 10-12,
электромепроницаКл/Н
ханической
емость ε33
d31
d33 связи Kp
1700
175
360
0,56
1900
183
410
0,62
4100
289 6003
0,65
900
100
340
0,50
950
100
255
0,52
1400
122
290
0,53
2325
158
360
0,52
2325
200
425
0,59
1000
80
200
0,45
700
46
102
0,33
Точка
Кюри
T, 0С
290
300
170
270
280
280
180
240
300
320
Плотность ρ,
кг/м3
7600
7600
7550
7400
7550
7400
7200
7300
7400
7400
В работах [27, 28, 29, 30, 31, 32] процессы в пьезоэлектрической среде
обычно описывают посредством матричных пьезоэлектрических уравнений
(фундаментальных уравнений элементарного объема пьезоэлектрической
среды). Эти уравнения выглядят следующим образом:
E   hs   S D 
,
Т  с D S  hD 
(1.1)
S   s D Т  gD 
,
Е   gT   Т D 
(1.2)
S   s Е Т  dЕ 
,
D  dT   Т Е 
(1.3)
Т  с Е S  еЕ 
,
D  еS   S Е 
(1.4)
где: D – электрическая индукция;
S – механическая деформация;
Е – электрическое поле;
Т – механическое напряжение;
 Т 
– модули упругости (модули Юнга), измеренные
сD , cЕ  

 S  D , E
соответственно при постоянных индукции или поле (тензоры
четвертого ранга);
sD 
1 Е
1
, s  Е – коэффициенты податливости (тензоры четвертого
D
с
c
ранга);
1 1
 Е 
  S, Т
 D  ST  
 S,  Т  
– величины, обратная диэлектрической
постоянной (тензоры второго ранга);
 S 
 D 
d   
 – пьезоэлектрический модуль (тензор третьего
 E Т  Т  Е
ранга) численно равен заряду, возникшему на единице поверхности
пьезоэлемента при приложении к нему единицы давления [32];
 Т 
 Е 
 Е 
 S 
 T 
 D 
h
    , g     
 , е  
 
 – модули,
 D  S
 S  D
 Т  D  D Т
 E  S  S  Е
связывающие
в
определенных
условиях
электрические
и
механические величины (тензоры третьего порядка).
При деформации пьезоэлектрика ему сообщается механическая энергия,
при
приложении
электрического
поля
–
электрическая.
Коэффициент
электромеханической связи есть квадратный корень из той доли механической
энергии, которая преобразуется в электрическую, или наоборот. Остальная
энергия во время каждого цикла теряется на упругий или диэлектрический
гистерезис или рассеивается [27].
В [17, 21, 24, 25, 26] основным элементом устройства является
пьезоэлектрический генератор, который состоит из нажимного элемента,
контактирующего
с
магнитострикционный
пьезоэлементом
элемент.
Привод
и
механический
установлен
с
привод
или
возможностью
воздействия на нажимной элемент.
Рассмотрим устройство Ч.-К. А. Будревича для преобразования энергии
гидравлического потока в электрическую, которое может быть применено для
получения электрической энергии из энергии водного потока рек, ручьёв и т. д.
[15].
На рисунке 1.2 показано устройство, вид сбоку; на рисунке 1.3 – вид
сверху.
Устройство для преобразования энергии гидравлического потока в
электрическую содержит пару цилиндрических плавучих колёс 1, снабжённых
лопастями 2, закреплёнными на их обечайках, и установленных на концах рамы
3. Колёса 1 могут вращаться вокруг горизонтальных осей 4, поперечных
направлению
потока,
указанного
стрелкой.
На
раме
3
установлен
кинематически связанный с колёсами 1 генератор, подключенный кабелем 5 к
береговому потребителю электроэнергии. Устройство снабжено механизмом
ориентации по потоку, включающим в себя трос 6, закреплённый на береговой
опоре.
Генератор выполнен в виде гибкой бесконечной пьезоэлектрической
ленты 7, снабжённой электродами, установленной между приводными шкивами
8 и 9. Ветви ленты пропущены между рядами промежуточных контактных
роликов 10 и 11, которые изолированы от рамы и кинематически связаны со
шкивами 8, 9 и осями 4 плавучих колёс 1 при помощи передачи 12. Ролики 10,
11 выполнены в виде «беличьего колеса» из стержней, которые имеют
возможность упругого контакта с одной из сторон верхней или нижней ветви
пьезоэлектрической ленты 7, на которых находятся электроды 13 и 14
противоположной полярности.
Для начала работы устройство устанавливают на плаву в потоке. Под
действием потока на нижние лопасти 2 плавучие колёса 1 приводятся во
вращение и через кинематическую передачу 12 вращают с одинаковой угловой
скоростью приводные шкивы 8 и 9, а также ролики 10 и 11. При этом
приводится в движение пьезоэлектрическая лента 7. Стержни роликов 10 и 11,
входящие как зубья шестерён один в пазы другого, изгибают ленту 7 в
противоположные стороны, что вызывает появление на электродах 13 и 14
ленты 7 противоположных электрических зарядов, которые по кабелю 5
передаются береговому потребителю электрической энергии [15].
1 – цилиндрическое плавучее колесо; 2 – лопасть; 3 – рама; 4 – горизонтальная ось; 5 –
кабель; 6 – трос; 7 – пьезоэлектрическая лента; 8, 9 – приводные шкивы; 10, 11 – ролики; 12
– передача; 13, 14 – электроды.
Рисунок 1.2 – Устройство для преобразования энергии гидравлического потока
в электрическую (вид сбоку)
Рисунок 1.3 – Устройство для преобразования энергии гидравлического потока
в электрическую (вид сверху)
Недостатками данного устройства являются непостоянные обороты
плавучих колёс, а также ржавление элементов конструкции в результате
взаимодействия с водной средой. К устройствам, содержащим гидротурбину
или
лопасти,
при
достаточно
слабом
течении,
сложно
подобрать
низкооборотистый электрогенератор. Они эффективны только при постоянном
сильном течении реки и не могут быть использованы в водоёмах со стоячей
водой.
Конструкция проектируемого устройства позволяет устранить эти
недостатки. Здесь не используется гидротурбина, и принцип работы основан на
свойстве прямого пьезоэффекта. Все элементы буя располагаются внутри его
корпуса, который полностью изолирует их от контакта с внешней средой. Для
выработки электрической энергии достаточно небольшого угла крена буя.
2 Выбор и обоснование структурной схемы
Исходя
из
проведённого
анализа
устройств
преобразования
механической энергии в электрическую, оценки их достоинств и недостатков
выберем структурную схему энергетической установки буя, в состав которой
входят:
1)
МПВ – механический преобразователь внешнего воздействия в
усилие (маятник). Внешним воздействием могут являться волнение
водной поверхности, течение и ветровая нагрузка;
2)
ПП – пьезоэлектрический преобразователь (набор пьезоэлементов),
на который воздействует маятник;
3)
П – преобразователь. Преобразует импульсы, вырабатываемые ПП,
в необходимое напряжение питания;
4)
А – аккумулятор, являющийся резервным источником питания, в
случае, когда пьезоэлектрический генератор не вырабатывает
энергию;
5)
ФА – фотоавтомат (функции см. в первой главе). В состав
фотоавтомата входит сигнальный фонарь (лампа накаливания).
Обобщённая структурная схема устройства изображена на рисунке 2.1.
Пьезоэлектрический
генератор
Внешнее
воздействие
МПВ
ПП
П
ФА
А
Рисунок 2.1 – Структурная схема энергетической установки навигационного
буя
На рисунке 2.2 изображена структурная схема фотоавтомата.
СН
ФД
ПК
ИМ
УР
РЭ
Л
ВЗГ
От преобразователя
От аккумулятора
Рисунок 2.2 – Структурная схема фотоавтомата
Фотоавтомат
состоит
из
нескольких
функциональных
блоков:
фотодатчика ФД, времязадающего генератора ВЗГ, переключателя ПК и
стабилизатора напряжения СН (последний обведен на рисунке пунктирной
линией).
В СН входят три функциональных узла – измерительный мост ИМ,
усилитель рассогласования УР и регулирующий элемент РЭ. Источником
питания является преобразователь, а лампа накаливания обозначена буквой Л.
Пояснение назначения каждого из функциональных блоков и узлов
структурной схемы и их взаимодействия следует начать со стабилизатора
напряжения СН.
Измерительный мост ИМ отрегулирован так, что при номинальном
напряжении на лампе на выходе ИМ управляющего сигнала нет. Если источник
питания имеет повышенное напряжение, то на лампе напряжение также может
оказаться выше номинального. В этом случае на выходе ИМ появится
управляющее напряжение (сигнал рассогласования). Этот сигнал подается к
усилителю
рассогласования
УР,
который
непосредственно
управляет
регулирующим элементом РЭ: В результате воздействия УР на РЭ
сопротивление РЭ возрастет на величину, необходимую для того, чтобы
погасить излишек напряжения на лампе Л. Благодаря этому на лампе
непрерывно будет поддерживаться напряжение, равное номинальному.
При напряжении источника питания меньше 2,7 В СН прекращает свое
действие как стабилизатор и напряжение на лампе будет равно напряжению на
выходе преобразователя за минусом 0,2 В (0,2 – минимальное падение
напряжения на РЭ, который включен последовательно с Л).
Действие других блоков осуществляется следующим образом. При
освещенности, превышающей пороговую (от 40 до 120 лк), фотодатчик ФД
вырабатывает
Переключатель
сигнал,
через
необходимый
усилитель
для
сработки
рассогласования
переключателя
УР
воздействует
ПК.
на
регулирующий элемент РЭ. Это воздействие приводит к увеличению
сопротивления РЭ до величины, при которой ток через него и лампу Л
практически прекращается и лампа гаснет. Другими словами, с ростом
освещенности ФД посредством ПК гасит лампу. При освещенности меньшей
пороговой действие фотодатчика прекращается и лампа загорается вновь.
Времязадающий
генератор
ВЗГ
также
вырабатывает
сигналы,
вызывающие периодическую сработку ПК, который, воздействуя на УР и РЭ,
гасит или зажигает лампу Л в нужной последовательности, т. е. создает
требуемый режим горения огня (проблесковый, затмевающийся и т. д.).
Каждому режиму горения соответствует свой ВЗГ. Шунтирование ВЗГ путем
установки предусмотренной в схеме перемычки переводит фотоавтоматы в
режим постоянного горения огня.
На водных путях эксплуатируются светящие и несветящие буи.
Несветящие буи, число которых незначительно, должны иметь такую площадь
сигнальной фигуры, чтобы их можно было обнаружить на заданном
расстоянии, и обладать параметрами остойчивости, исключающими их
опрокидывание при сильном волнении и при навалах и ударах судов.
Ограничений по углам качки и крена к ним не предъявляется.
Основная масса буев – светящие плавучие знаки. Поскольку угол
рассеяния света в вертикальной плоскости у светосигнальных приборов мал, а
источники света маломощны, крен и качка светящих буев должны быть
минимальными.
Создать такую конструкцию буя, которая при приемлемых весовых
характеристиках будет иметь малый угол крена на течении и, одновременно,
малые углы качки на волне, принципиально затруднительно. Поэтому по
своему устройству буи делятся на две группы: одна приспособлена к работе в
районах, где преобладающими факторами являются течение и ветровая
нагрузка, другая – к работе в районах, где главным фактором является волнение
водной поверхности. Буи первой группы называются речными, буи второй
группы – озерными и озерно-речными [2].
Рассмотрим требования к конструкции речных буев [2].
Максимальный угол крена плавучего знака (в град.) под действием
течения или ветровой нагрузки
  arcsin
kpl
,
Ph0
(2.1)
где к – коэффициент обтекания, зависящий от формы (для сплошных
цилиндров и конусов подводной части принимается равным 0,46,
для подводной части – 1,0 – 1,2);
p – сила давления воды, или ветровая нагрузка, Н;
l – расстояние от точки крепления якорной цепи до центра давления
воды или центра парусности, м;
P – водоизмещение буя с навигационным оборудованием и якорной
цепью, Н;
h0 – начальная метацентрическая высота, м.
Выражение 2.1 показывает, что уменьшить угол крена можно за счет
увеличения начальной метацентрической высоты, уменьшения площади
подводной поверхности буя и парусности надводной сигнальной надстройки,
выполнения их в виде хорошо обтекаемых фигур (например, цилиндра или
конуса).
Крена на течении теоретически вообще можно было бы избежать, если
бы
удалось
закрепить
якорную
цепь
точно
в
точке
приложения
равнодействующей силы давления воды. Во всяком случае, при разработке
конструкции речного буя следует предусматривать возможность крепления
якорной цепи вблизи этой точки. В нашем случае отклонение буя должно быть
таким,
чтобы
маятник
мог
воздействовать
на
пьезоэлектрический
преобразователь, исходя из этого, произведём приближённый расчёт среднего
угла крена буя согласно выражению (2.1).
Исходные данные (выбраны средние значения параметров по [2] для
металлических буев 2-,4-,5-,6-го типоразмеров):

коэффициент обтекания, k: 0,46;

сила давления воды, или ветровая нагрузка, p: 1,611∙104 Н;

среднее расстояние от точки крепления якорной цепи до центра
давления воды или центра парусности, l: 0,05 м;

водоизмещение буя, P: 6,807∙103 Н;

средняя начальная метацентрическая высота, h0., 0,242 м.
Таким образом, согласно выражению (2.1) угол равен:
 0,46 1,61110 4  0,05 
  12,967 0 .
  arcsin 
3
 6,807 10  0,242 
Отсюда можно сделать вывод, что отклонения маятника должно быть
меньше расчётного угла крена. При воздействии маятника на пьезоэлемент
необходимо учитывать предел прочности на сжатие, который по [33]
составляет 1,5·107 – 3,5·107 Па.
Рассмотрим требования, которым должны, отвечать конструкции
озерного и озерно-речного буев [2].
Эффективность использования различных конструкций озерных и
озерно-речных буев на водохранилищах можно оценить достаточно точно
путем рассмотрения вынужденных угловых колебаний этих буев на регулярном
установившемся волнении. Амплитуда вынужденных угловых колебаний буя
(амплитуда качки) на регулярном установившемся волнении определяется из
условия, что его поплавковая часть имеет симметричную обтекаемую форму и
малые поперечные размеры па сравнению с длиной волны, а якорная цепь при
относительно малой массе допускает свободное перемещение буя на волне. Эта
амплитуда равна (в град.)
m  0

 T
1  2
 
В

2
2
,
(2.2)

T
  4 2 2

В

2
где χθ – редукционный коэффициент, учитывающий влияние на качку
формы и размеров подводной части буя, а также интенсивности
волнения (принимается равным 0,45 – 0,98);
α0 – наибольший угол волнового склона, град;
Тθ – период свободных колебаний буя на спокойной воде, с;
τВ – период волны, с;
2μ – коэффициент гашения качки (для буев с цилиндрическим
хвостовиком большого диаметра он равен 0,2 – 0,3, а для буев с
хвостовиками малого диаметра – 0,35 – 0,4).
Рассматривая выражение (2.2), можно сделать вывод, что для
уменьшения углов качки нужно, чтобы период свободных колебаний буя Тθ
был возможно больше периода волны τВ.
Период свободных колебаний буя:
T  2
I X (1  k )
,
Ph0
(2.3)
где IX – момент инерции массы буя, кг∙м2;
kθ – коэффициент, учитывающий момент инерции присоединенных
масс воды и форму подводной части (для буев с цилиндрическим
хвостовиком большого диаметра, свободно сообщающегося с
забортной водой, kθ = 1,3 – 1,9, а для буев с хвостовиками малого
диаметра kθ = 0,2 – 0,7).
Выражение (2.3) показывает, что для буев с заданными весовыми
характеристиками IX и P увеличение периода свободных колебаний возможно
за счет уменьшения до допустимых пределов метацентрической высоты h 0 и за
счет увеличения влияния момента инерции присоединенных масс воды kθ.
Допустимым для озерных и озерно-речных буев является снижение
начальной метацентрической высоты до 0,25 – 0,4 м, что еще позволяет
сохранить положительную остойчивость при обслуживании буев с борта судна
(без высадки на буй человека), а также при обледенении в осенний период
навигации у навалах на буй проходящих судов.
Наглядно зависимость угла качки от параметров волны (α0 и τВ) и
характеристик буя можно проиллюстрировать на графиках, показывающих
связь между так называемым коэффициентом динамичности качки КД = θm/(α0
χθ) и отношением периодов Тθ/τВ для различных значений коэффициента
гашения μ. Указанные графики, построенные на базе выражения (2.2),
приведены на рисунке 2.3.
Из рисунка 2.3 видно, что значительное уменьшение качки достигается,
когда период свободных колебаний буя в 1,5 – 2 раза превышает период волны.
И, наоборот, наибольшие амплитуды качки, сопровождающиеся резонансными
явлениями, будут иметь место, когда период свободных колебаний буя близок к
периоду волны или меньше его.
В среднем, на большинстве водохранилищ периоды волны составляют
2,2 – 4,5 с при высоте их 0,5 – 0,2 м, причем в течение 70 – 80 % длительности
навигации высота волн не превышает 0,5 – 1,0 м, а периоды 2,7 – 3,5 с. Для
более эффективного действия установленных на буях светосигнальных
приборов нужно, чтобы периоды собственных колебаний озерных буев были не
менее 5 – 7 с, а озерно-речных буев, эксплуатируемых при более слабом
волнении, – не менее 4 – 4,5 с.
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
КД
1,5
1,0
0,5
0
0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75
Тθ/τВ
Рисунок 2.3 – Зависимость коэффициента динамичности качки буя КД от
отношения периода качки буя Тθ к периоду волны τВ и коэффициента гашения
качки 2μ
Из сказанного можно сделать вывод, что требования, которым должна
отвечать конструкция речных буев, существенно отличаются от требований к
конструкции озерных буев. Так, если первые должны иметь по возможности
большую метацентрическую высоту, а период собственных колебаний не имеет
при этом существенного значения, то вторые должны иметь, возможно,
меньшую метацентрическую высоту и по возможности больший период
собственных колебаний. Это определяет конструктивные параметры каждой из
групп буев, в частности размеры и форму подводной части корпуса [2].
3 Расчёт пьезоэлектрического генератора
3.1 Расчёт механического преобразователя воздействия
Согласно [2] высота огня над уровнем воды для буев составляет от 1 до
3 м, поэтому длина механического преобразователя воздействия (далее
маятник) должна быть не больше этого диапазона (возьмём 80 см). Для
конструкции маятника достаточно небольшого угла отклонения от положения
равновесия (см. 2 главу). Пьезоэлектрический преобразователь (ПП) нужно
расположить так, чтобы усилие маятника на него было максимальным, т. е.
точка, в которой маятник воздействует на ПП, должна быть как можно ближе к
точке
подвеса
(рисунок
3.1).
Далее
ПП
будем
обозначать
одним
пьезоэлементом (ПЭ).
Исходные данные:

отклонение маятника, r: от 2 до 5 мм (шаг 0,2 мм);

длина маятника, B: 80 см;

длина плеча, b1: от 1 до 7 см (шаг 1 см);

длина плеча, b2: B – b1;

масса маятника, m: от 4 до 8 кг (шаг 1 кг);

ускорение свободного падения, g: 10 м/с2.
Маятник будем считать математическим, совершающий гармонические
колебания. Поскольку угол отклонения мал, то колебания маятника являются
собственными (незатухающими). Сила, действующая на тело в любой точке
траектории, направлена к положению равновесия, а в самой точке равновесия
равна нулю. Необходимо найти силу F1, действующую на ПЭ [34].
F1
α
x
r
b1
ПЭ
B
Fупр.
F2
Fт
X
Рисунок 3.1 – Механический преобразователь воздействия (маятник)
Сила F2 направлена к положению равновесия и определяется
выражением
F2  m  a,
(3.1)
где а – ускорение, изменяющееся по гармоническому закону.
Перемещение X определяется по формуле
X  X 0  cos(M t )
(3.2)
где X0 – амплитуда колебания маятника;
ωМ – собственная частота колебаний маятника (ωМ = 2π/T, где
T  2 B / g – период колебаний маятника), B = b1 + b2;
t – время.
Таким образом, собственная частота равна
М 
g
.
b1  b2
(3.3)
Ускорение а будет равно второй производной от X, следовательно
a   X 0  M  cos(M t ).
2
Подставляя (3.2) и (3.3) в (3.4), получим ускорение (по модулю)
(3.4)
aX
g
.
b1  b2
(3.5)
Перемещение X можно определить также через синус угла отклонения
X  (b1  b2 )  sin  ,
(3.6)
где α = 2∙arcsin(r/2b1).
(3.7)
Подставим (3.6) в (3.5) и получим
a  g  sin  .
(3.8)
Запишем условие равновесия маятника при отклонении его на
некоторый угол
F1∙d1 = F2∙(b1+b2), т. е.
 b
F1  F2  1  2
 b1

.

(3.9)
Подставим (3.8) в (3.1) и полученное выражение в формулу (3.9),
следовательно
 b
F1  1  2
 b1

  m  g  sin  .

(3.10)
В таблице 3.1 приведены значения углов отклонения маятника в
зависимости от длины плеча b1 согласно формуле (3.7).
Таблица 3.1
Отклонение
маятника r, мм
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
Отклонение маятника α0 в зависимости от длины плеча b1
1,0
2,0
см
см
11,478 5,732
12,631 6,306
13,784
6,88
14,939 7,454
16,096 8,028
17,254 8,602
18,414 9,177
19,576 9,752
3,0
см
3,82
4,203
4,585
4,967
5,35
5,732
6,114
6,497
4,0
см
2,865
3,152
3,438
3,725
4,012
4,298
4,585
4,872
5,0
см
2,292
2,521
2,75
2,98
3,209
3,438
3,668
3,897
6,0
см
1,91
2,101
2,292
2,483
2,674
2,865
3,056
3,247
7,0
см
1,637
1,801
1,965
2,128
2,292
2,456
2,619
2,783
Продолжение таблицы 3.1
ОтклоОтклонение маятника α0 в зависимости от длины плеча b1
нение
маятни- 1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
ка r, мм см
см
см
см
см
см
см
3,6
20,74 10,327
6,88
5,158
4,126
3,438
2,947
3,8
21,906 10,903 7,262
5,445
4,356
3,629
3,111
4,0
23,074 11,478 7,645
5,732
4,585
3,82
3,274
4,2
24,245 12,054 8,028
6,019
4,814
4,012
3,438
4,4
25,418 12,631 8,411
6,306
5,044
4,203
3,602
4,6
26,594 13,207 8,794
6,593
5,273
4,394
3,766
4,8
27,773 13,784 9,177
6,88
5,503
4,585
3,93
5,0
28,955 14,362
9,56
7,167
5,732
4,776
4,093
Для конструкции маятника и размещения ПЭ достаточно, чтобы плечо
b1 было равно 3 см (b2 = 77 см). Согласно этому рассчитаем усилие,
оказываемое на ПЭ при разных значениях массы маятника, пользуясь
выражением (3.10) и таблицей 3.1. Отклонение маятника r возьмём от 3 до 4
мм. Необходимо учитывать предел прочности на сжатие ПЭ, который по [33]
составляет 1,5·107 – 3,5·107 Па. Полученные значения занесём в таблицу 3.2.
Таблица 3.2
Отклонение
маятника r, мм
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
Усилие F1, Н
при разных значениях массы маятника m, кг
4
106,533
113,616
120,695
127,769
134,84
141,906
5
133,167
142,02
150,868
159,712
168,55
177,382
6
159,8
170,424
181,042
191,654
202,26
212,859
7
186,433
198,828
211,216
223,596
235,97
248,335
8
213,066
227,232
241,389
255,539
269,68
283,812
Построим график зависимости усилия F1 от отклонения r при разных
значениях массы маятника (рисунок 3.2).
Н
m = 8 кг
m = 7 кг
250
m = 6 кг
200
m = 5 кг
150
m = 4 кг
F1
100
50
0
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
4,0
мм
r
Рисунок 3.2 – График зависимости усилия F1 от отклонения r при разных
значениях массы маятника
3.2 Расчёт пьезоэлектрического преобразователя
В качестве ПЭ выберем пьезокерамический диск из керамики ЦТС-19М,
который работает на продольном пьезоэффекте. Расчёт будем производить при
разных значениях толщины ПЭ (рисунок 3.3).
Исходные данные (взяты из таблицы 1.5 первого раздела):

радиус ПЭ, RПЭ: 8 мм;

толщина ПЭ, L: от 0,5 до 2,5 см;

пьезомодуль, d33: 410·10-12 Кл/Н;

пьезомодуль, d31: -183·10-12 Кл/Н;

модуль Юнга, Y33: 3,845·1010 Па;

коэффициент электромеханической связи, Kэмс: 0,62;

диэлектрическая постоянная, ε0: 8,85·10-12 Ф/м;

относительная диэлектрическая проницаемость, ε33: 1900;

плотность, ρ: 7600 кг/м3.
F1
S
L
Рисунок 3.3 – Пьезоэлемент
Площадь сечения ПЭ
S    RПЭ  2,01110 4 м 2 .
2
(3.11)
Давление, оказываемое на ПЭ
p1 
F1
.
S
(3.12)
Примем отклонение для маятника 3,2 мм (6,1140) и найдём давление при
разных значениях массы маятника, пользуясь формулой (3.12) и таблицей 3.2.
Полученные результаты занесём в таблицу 3.3.
Таблица 3.3
Отклонение
маятника r,мм
3,2
Давление p1, Па
при разных значениях массы маятника m, кг
4
5,651∙105
5
7,063∙105
6
8,476∙105
7
9,889∙105
8
1,13∙106
При усилии 113,616 Н (см. таблицу 3.2) давление составляет 5,651∙105
Па, что соответствует пределу прочности на сжатие ПЭ.
Рассчитаем мощность, которую выдаёт ПЭ при воздействии на него
маятника.
Электрическая ёмкость ПЭ определяется выражением [33]
C   33   0  (1  K эм с ) 
2
S
.
L
(3.13)
Построим график зависимости электрической ёмкости C от длины ПЭ L
(рисунок 3.4).
пФ
400
200
C
0,005
0
0,015
0,01
0,02
0,025
м
L
Рисунок 3.4 – График зависимости электрической ёмкости C от длины
пьезоэлемента L
Для расчёта выходного напряжения (разности потенциалов) Uвых
необходимо знать заряд Q, появляющийся на электродах ПЭ. Заряд равен [1]
Q  d 33  F1 ,
(3.14)
выходное напряжение будет равно [1]
U вых 
Q
.
C
(3.15)
Значения заряда Q приведены в таблице 3.5 (значения усилия F1 взяты
из таблицы 3.2).
Выходной ток согласно [31] равен
I вых  j   0   33 
S
 U вых  j  F1 (2d 31  d 33 ),
L
(3.16)
где ω – собственная частота, которая определяется выражением [33]

1,58 Y33

.
L

(3.17)
Значения электрической ёмкости и частоты при разной толщине ПЭ
приведены в таблице 3.4.
Таблица 3.4
Электрическая ёмкость
Cвт, пФ
Частота ω 105, с-1
0,5
416,3
Толщина ПЭ L, см
1,0
1,5
2,0
208,1
138,8
104,1
2,5
83,25
7,108
3,554
1,422
2,369
1,777
В таблице 3.5 и 3.6 приведены значения выходного напряжения и тока
пьезогенератора
соответственно
(при
разном
усилии).
Значения
тока
необходимо брать по модулю, так как выражение (3.16) представлено в
комплексной форме.
Таблица 3.5
Толщина ПЭ
L, см
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Выходное напряжение Uвых, В при разном усилии F1, Н
113,616
142,02
170,424
198,828
227,232
111,91
139,887
167,865
195,842
223,820
223,82
279,774
335,729
391,684
447,639
335,729
419,662
503,594
587,526
671,459
447,639
559,549
671,459
783,368
895,278
559,549
699,436
839,323
979,211
1119
Таблица 3.6
Толщина ПЭ
L, см
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Выходной ток |Iвых|, мА при разном усилии F1, Н
113,616
142,02
170,424
198,828
227,232
50,232
62,790
75,348
87,906
100,463
25,116
31,395
37,674
43,953
50,232
16,744
20,930
25,116
29,302
33,488
12,558
15,697
18,837
21,976
25,116
10,046
12,558
15,07
17,581
20,093
Пьезоэлементы необходимо расположить вокруг стержня маятника,
чтобы образовать при помощи протекторов кольцо. Протектор также служит
для защиты от повреждений ПЭ, которые может нанести маятник. На рисунке
3.5 показано расположение пьезоэлементов, образующих пьезоэлектрический
преобразователь (ПП).
Приведём размеры ПП и стержня маятника:

количество ПЭ: 5 шт.;

радиус ПЭ, RПЭ: 8 мм;

зазор между двумя соседними протекторами 1,75 мм;

расстояние от стержня до протектора, x (x = b1∙sin(6.1140)): 3,195
мм;

радиус стержня маятника в точке приложения усилия на ПЭ, RСТ:
7,305 мм.
ПЭ
Стержень
маятника
Протектор
x
Рисунок 3.5 – Расположение пьезоэлементов (вид сверху)
Построим семейство вольтамперных характеристик пьезогенератора
при разном усилии F1 на ПЭ (рисунок 3.6).
Импульсная мощность на выходе пьезоэлектрического генератора равна
Pвых  U вых  I вых  QИ ,
(3.18)
где QИ – скважность
QИ 
И
ТИ
,
(3.19)
где τИ – длительность импульса (τи = 0,173 с);
ТИ – период следования импульсов (ТИ = 0,2 с).
Таким образом, скважность равна
QИ = 0,173 с/0,2 с = 0,865.
В
1000
800
600
Uвых
400
F1 = 227,232Н
200
F1 = 142,02Н
F1 = 113,616 Н
0
20
40
60
F1 = 198,828 Н
F1 = 170,424 Н
80
100
мА
|Iвых|
Рисунок 3.6 – Семейство вольтамперных характеристик пьезогенератора
Таблица 3.7
Радиус ПЭ
RПЭ, мм
Выходная импульсная мощность Pвых 10-5, Вт при разном
усилии F1, Н
113,616
142,02
170,424
198,828
227,232
6,351
9,924
14,29
19,45
25,404
4,863
7,598
10,941
14,892
19,45
3,842
6,003
8,644
11,766
15,368
7,0
8,0
9,0
Согласно
выполненным
расчётам,
приведём
физические
электрические параметры пьезоэлектрического генератора (ПГ).
Механический преобразователь воздействия:

длина маятника, B: 80 см;
и

отклонение маятника, r: 3,2 мм (6,1140);

длина плеча, b1: 3 см;

длина плеча, b2: 77 см;

масса маятника, m: 4 кг.
Пьезоэлектрический преобразователь (5 пьезокерамических диска
ЦТС19-М):

радиус ПЭ, RПЭ: 8 мм;

толщина ПЭ, L: 1,5 см;

усилие, оказываемое на ПЭ, F1: 113,616 Н;

амплитуда выходного напряжения ПГ, Uвых: 335,729 В;

амплитуда выходного тока ПГ, |Iвых|: 16,744 мА;

выходная импульсная мощность ПГ, Pвых: 4,863 Вт.
4 Расчёт преобразователя
Для преобразования импульсов, выдаваемых пьезоэлектрическим
генератором (ПГ), в необходимое напряжение питания фотоавтомата (ФА) с
лампой
накаливания,
построим
следующую
структурную
схему
преобразователя, представленной на рисунке 4.1.
От ПГ
Ф
ППН
На ФА
На аккумулятор
Рисунок 4.1 – Структурная схема преобразователя
В состав преобразователя входят:
1)
Ф – RC-фильтр;
2)
ППН – преобразователь постоянного напряжения.
На рисунке 4.2 изображён RC-фильтр.
Вход с ПГ
R1
Выход на ППН
C1
Рисунок 4.2 – Схема RC-фильтра
На выходе ПГ необходимо параллельно включить 5 диодов (так как
пьезоэлектрический преобразователь (ПП) состоит из 5 пьезоэлементов) для
предотвращения обратного пьезоэффекта. Диоды выберем на 500 – 600 В,
поскольку амплитуда импульсов на выходе ПГ (Uф.вх) составляет 335,729 В (τи –
длительность импульса: 0,173 с; Ти – период следования импульсов: 0,2 с).
Зададим напряжение на выходе фильтра Uф.вых = 300 В, тогда
сопротивление будет равно
R1 
U ф.вх  U ф.вых
I ф.вх
,
(4.1)
где Iф.вх – входной ток фильтра (17 мА), тогда получим
R1 
335,729  300
 2,102 кОм.
0,017
Ёмкость высоковольтного конденсатора C1 определяется выражением
C1 
U ф.вх  tи
R1  U ф.вых

335,729  0,173
 92,1 мкФ.
2102  300
(4.2)
Смоделируем при помощи пакета Micro-CAP 7.0 схему фильтра
(рисунок 4.3) и построим график зависимости выходного напряжения от
времени.
Рисунок 4.3 – Схема RC-фильтра в Micro-CAP 7.0
Для построения графика в меню «Analysis» выберем «Transient…».
Далее появится окно «Transient Analysis Limits» (рисунок 4.4).
Рисунок 4.4 – Окно «Transient Analysis Limits»
Согласно рисунку 4.4 зададим параметры построения графика и нажмём
клавишу «Run». В результате появится график зависимости выходного
напряжения от времени (рисунок 4.5).
Рисунок 4.5 – График зависимости выходного напряжения от времени
По графику на рисунке 4.5 определяем, что напряжение на выходе RCфильтра равно 300±1 В.
Далее необходимо преобразовать полученное напряжение (300 В) в
требуемое напряжение питания 2,7 В. Выберем согласно [36] преобразователь
постоянного напряжения серии MSS-MH фирмы CRANE (Interpoint). MSS-MH
являются преобразователями военного и авиационно-космического класса,
также используется в коммерческом и промышленном применении. ППН этого
класса созданы с применением передовых технологий высокочастотного
преобразования энергии. Герметичные блоки обеспечивают полную мощность
в температурном диапазоне от минус 55 до плюс 100°С.
Функции MSS-MH:
1)
защита от короткого замыкания нагрузки;
2)
автоматическое выключение преобразователей при чрезмерном
понижении входного напряжения (< 79 В);
3)
возможность
внешней
синхронизации
рабочей
частоты
преобразования (от 450 до 550 кГц) и др.
Из этой серии выберем преобразователь MSS-MHL (характеристики
приведены в таблице 4.1). Он состоит из входного фильтра (Ф1), конвертора
(тоже, что ППН) и выходного фильтра (Ф2). Номинальное напряжение
пульсаций на выходе Ф2 составляет 12 мВ в диапазоне частот от 10 кГц до 2
МГц и 75 мВ – от 2 до 20 МГц. Усилительный каскад конвертора обеспечивает
низкий входной шум и высокую фильтрацию в диапазоне входного напряжения
от 200 до 400 В.
Таблица 4.1
Параметр
Входное напряжение Uвх, В
Входной ток Iвх, мА
Выходное регулируемое
напряжение Uвых, В
Выходной ток Iвых, А
КПД, % Uвх = 120 В
Uвх = 270 В
Минимальное
значение
80
5
Номинальное
значение
270
–
Максимальное
значение
400
25
2,5
–
77
80
–
–
79
83
6,4
20,8
–
–
-Vout
+Vout
+Sense
-Sense
Trim
Sync Out
Control return (Ctrl Rtn)
Inhibit
Sync In
+Vin
-Vin
На рисунке 4.6 условно показаны выводы ППН.
1
2
3 4 5
6 7 8 9
10
11
MSS-MHL
Рисунок 4.6 – Наименование выводов MSS-MHH
Поясним назначение выводов:
1)
1, 2 – выходные выводы (для подключения нагрузки);
2)
3, 4, 5 – используются для регулирования выходного напряжения.
На рисунках 4.7 и 4.8 показаны схемы включения данных выводов;
3)
6, 9 – выводы внешней синхронизации;
4)
7 – является общим обратным проводом для 6, 8, и 9 выводов;
5)
8 – вывод «запрета». Если 8 вывод закоротить с 7 выводом, то на
выходе преобразователя не будет сигнала, при этом схема будет
потреблять ток (5 мА);
6)
10, 11 – входные выводы.
+Vin
2
+Vout
Rs
+Sense
3
Ra
MSS-MHL
Rн
4
-Vin
-Sense
Rs
-Vout
1
Рисунок 4.7 – Схема соединения MSS-MHL, когда Uвых > 6 В
 1,2 
  10 3 ,
Rа  
 Vа  6 
(4.3)
где Ra – подстроечный резистор;
Va – требуемое выходное напряжение.
+Vin
+Vout 2
+Sense 3
Trim 5
Rt
MSS-MHL
-Vin
Rн
-Sense 4
-Vout 1
Рисунок 4.8 – Схема соединения MSS-MHL, когда Uвых < 6 В
 8  Vt

Rt  
 5,7   10 3 ,
 6  Vt

где Rt – подстроечный резистор;
(4.4)
Vt – требуемое выходное напряжение.
В качестве резервного аккумулятора выберем согласно [35] никельметаллгидридный аккумулятор GP повышенной ёмкости (High Capacity Series),
характеристики которого приведены в таблице 4.2.
Таблица 4.2
Номинальное Типовая
Типоразмер
Модель
напряжение, ёмкость, Диаметр, Высота,
В
мА∙ч
мм
мм
F
GP13000FH
1,2
13650
33
90
Вес,
г
247
Поскольку напряжение питания фотоавтомата составляет 2,7 В, то
необходимо составить аккумуляторную батарею (АБ) из трёх последовательно
соединённых GP аккумуляторов, тогда напряжение АБ составит 3,6 В.
Напряжение 2,7 В можно получить включив в схему стабилитрон КС127Д с
напряжением стабилизации 2,7 В. Для зарядки АБ на каждый аккумулятор
необходимо подавать 1,5 В, то есть для всей АБ 4,5 В (3×1,5 В). Ток заряда
должен составлять 10% от ёмкости аккумулятора, тогда получим 1,365 А
(10%×13,650 А). При подключении ФА, потребляемый ток составляет 0,6 А,
отсюда АБ полностью разрядится через 22,75 ч (13,650 А∙ч разделить на 0,6 А),
при условии, что ПГ не вырабатывает энергию (МПВ находится в состоянии
покоя). В случае, когда ПГ работает, то он одновременно питает схему ФА и
заряжает АБ (если необходимо).
Напряжение 4,5 В на выходе ППН можно получить, используя схему
соединения MSS-MHL, показанную на рисунке 4.8. Тогда сопротивление
подстроечного резистора согласно формуле (4.4) будет равно (Vt = 4,5 В)
 8  4,5

Rt  
 5,7   10 3  18,3 кОм.
 6  4,5

Электрическая принципиальная схема преобразователя будет выглядеть
как показано на рисунке 4.9. В состав схемы включены пьезоэлементы BQ1 –
BQ5 и диоды VD1 – VD5 (Д202П).
VD1
На ФА
ВQ1
VD2
R2
ВQ2
VD3
ВQ3
R1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
G1
VD6
G2
G3
MSS-MHL
D1
C1
VD4
ВQ4
VD5
ВQ5
Рисунок 4.9 – Электрическая принципиальная схема преобразователя
5 Расчёт фотоавтомата
На рисунке 5.1 изображена электрическая принципиальная схема
фотоавтомата (ФА).
SA1
-2,7 В
R10
VD2
R1
R3
R2
R6
R4
С2
С1
C4
R14
VL1
R11
R5
R16
VD4
VD3
С3
R18
VT6
VT3
R15
R19
VT4
VD1
R7
VT1
VT2
R17
R8
R12
VT5
R9
R13
+2,7 В
Рисунок 5.1 – Электрическая принципиальная схема фотоавтомата
Поясним вначале работу стабилизатора напряжения СН. Для большей
наглядности его схема изображена на рисунке 5.2 отдельно (в более удобном
для рассмотрения виде).
Измерительный мост включен параллельно лампе VL1. Плечами моста
являются: резистор R17, переход эмиттер – коллектор транзистора VT6,
стабилитрон
VD4
(для
стабилизации
напряжения),
последовательно
соединённые резисторы R10 и R11.
Усилителем рассогласования служит транзистор VТ4, переход эмиттер
– база которого включен во вторую диагональ моста. Регулирующим элементом
является транзистор VT5. Измерительный мост настраивается посредством
резистора R15, так, чтобы при номинальном напряжении источника питания
(2,7 В) напряжение на лампе VL1 равнялось 2,5 В. Для компенсации влияния
изменений температуры в делитель, питающий базовую цепь транзистора VT6,
включен терморезистор R18.
-2,7 В
R14
R10
R18
VT6
C4
R16
R11
VT3
От ФД и ВЗГ
VL1
VT4
R17
R15
R19
VD4
R8
R12
VT5
R9
R13
+2,7 В
Рисунок 5.2 – Стабилизатор напряжения
При напряжении
источника питания, превышающем
номинальное,
происходит разбаланс моста, что приводит к уменьшению базового и
коллекторного токов транзистора VT4. Это вызывает уменьшение базового
тока транзистора VT5, что приводит к увеличению падения напряжения на
переходе эмиттер – коллектор этого транзистора. Таким образом, излишек
напряжения источника питания гасится на VT5, а на лампе поддерживается
номинальное значение напряжения.
Если напряжение источника питания упадет до 2,6 В и ниже,
транзисторы VT4 и VT5 окажутся полностью открытыми, а напряжение на
лампе будет равно напряжению источника питания за вычетом падения
напряжения на открытом транзисторе VT5 (0,2 В).
Показанный на схеме конденсатор С4 служит для предотвращения
самовозбуждения её на высокой частоте.
Работу фотодатчика и времязадающего генератора поясним по рисунку
3.7. Фотодатчиком является фоторезистор типа СФ2-6. На схеме он имеет
обозначение R7. Роль переключателя выполняет транзистор VT3.
В дневное время сопротивление фоторезистора мало и транзистор VT3
оказывается открытым. При этом закрываются VT4 и VT5, что приводит к
гашению лампы VL1. В тёмное время суток сопротивление фоторезистора
возрастает в сотни раз, вследствие чего VT3 закрыт и не влияет на работу
стабилизатора напряжения. Лампа горит, а напряжение на ней поддерживается
номинальным.
Чувствительность
Релейность
включения
фотодатчика
и
выключения
регулируется
лампы
резистором
достигается
за
R6.
счет
положительной обратной связи по току через резистор R10.
Времязадающий
генератор
представляет
собой
несимметричный
мультивибратор, собранный на транзисторах VT1 и VT2. Сигналы на
периодическое гашение лампы подаются на базу VT3 с коллектора VT2 через
резистор R5 и диод VD3. Времязадающей цепью, от которой зависит
длительность паузы, является R2C3.
Когда транзистор VT2 закрыт, а VT1 открыт, сигналы на переключатель
VT3 не поступают, и лампа горит. Длительность проблеска определяется
времязадающей цепью R3C2. Напряжение питания ФД и ВЗГ стабилизировано
стабилизатором, состоящим из резистора R9 и стабилитрона VD1. Этим
достигается постоянство временных характеристик и чувствительности
фотоавтомата.
Для перевода фотоавтомата в постоянный режим горения (работа в
качестве фотовыключателя) достаточно установить переключатель SA1 в
соответствующее положение. Это приводит к шунтированию положительных
импульсов ВЗГ диодом VD2, что равносильно отключению генератора от
остальной части схемы.
5.1 Расчёт времязадающего генератора
На рисунке 5.3 изображён времязадающий генератор (ВЗГ), который
представляет собой несимметричный мультивибратор, состоящий из двух
ключевых каскадов, собранных на транзисторах VT1 и VT2 и связанных между
собой конденсаторами C2 и C3. Рассчитаем ВЗГ согласно [37].
-2,7 В
R1
R3
R2
С1
R4
Выход на ПК
С2
VD1
С3
VT1
VT2
R9
+2,7 В
Рисунок 5.3 – Схема включения ВЗГ
Исходные данные для расчёта:

длительность проблеска, tПР: 0,7 с (ГОСТ 13311-74);

длительность паузы, tПЗ: 2,8 с (ГОСТ 13311-74);

ёмкость, С2: 22 мкФ;

ёмкость, С3: 47 мкФ;

входное напряжение (напряжение на выходе преобразователя), UВХ:
2,7 В;
Напряжение питания ВЗГ стабилизировано стабилизатором, состоящим
из резистора R9 и стабилитрона VD1 и составляет 1,9 В (UVD1 = 1,9 В).
Зададим сопротивление резистора R9 = 100 Ом, тогда ток через этот
резистор будет составлять
I R9 
U ВХ  U VD1 2,7  1,9

 8 мА,
R9
100
(5.1)
Длительность импульса с коллектора транзисторов VT1 и VT2
соответственно составляет
t ПР  0,7  C 2  R3,
(5.2)
t ПЗ  0,7  C3  R2,
(5.3)
тогда базовые сопротивления резисторов R3 и R2 будут равны
R3 
t ПР
0,7

 45,45 кОм ,
0,7  C 2 0,7  22  10 6
(5.4)
R2 
t ПЗ
2,8

 85,11 кОм.
0,7  C 3 0,7  47  10 6
(5.5)
Согласно [38] выберем по шкале номинальных величин сопротивления
резисторов R3 и R2, которые равны 47 кОм и 82 кОм соответственно. Отсюда
по формулам (5.2) и (5.3) длительность проблеска и паузы будет равна
t ПР  0,7  C 2  R3  0,7  22 10 6  47 103  0,724 с,
t ПЗ  0,7  C 3  R 2  0,7  47 10 6  82 10 3  2,698 с.
Период колебаний мультивибратора равен сумме длительностей
импульсов
T  t ПР  t ПЗ  0,724  2,698  3,422 с.
(5.6)
Сопротивление на коллекторе транзистора должно удовлетворять
условию
RK  RБ 
S

,
где β – коэффициент усиления тока;
S – степень насыщения (обычно равна 1,2 – 2).
Зададим β = 140 и S = 1,5, тогда
(5.7)
S
R 4  R3 

S
R1  R 2 

 45450 
1,5
 487,013 Ом,
140
 85110 
1,5
 911,854 Ом.
140
Таким образом, выберем R4 = 3,6 кОм, а R1 = 5,6 кОм.
Ток коллектора транзисторов VT1 и VT2 определяется выражением
I к1 
U VD1
1,9

 0,339 мА,
R1
5600
(5.8)
Iк2 
U VD1
1,9

 0,528 мА.
R4
3600
(5.9)
Ток базы транзисторов VT1 и VT2 равен
0,339  10 3
I б1 

 2,423 мкА,

140
(5.10)
0,528  10 3


 3,77 мкА.

140
(5.11)
I к1
Iб2
Iк2
Ток эмиттера транзисторов VT1 и VT2 будет равен сумме базового и
коллекторного токов
I э1  I б1  I б1  2,423  10 6  0,339  10 3  0,341 мА,
(5.12)
I э 2  I б 2  I к 2  3,77  10 6  0,528  10 3  0,531 мА.
(5.13)
Амплитуда импульса выходного напряжения
U m  UVD1  1,9 В.
(5.14)
Выберем в качестве транзисторов VT1 и VT2 транзистор BD180 [39].
Длительность среза выходного импульса (при открывании транзистора)
приближённо оценивается VT1 и VT2
tСР 
0,4
0,4

 0,133 мкс.
f ГР 3  10 6
(5.15)
Длительность фронта выходного импульса (при запирании транзистора)
определяется временем зарядки конденсаторов C2 и C3
tФ 2  3  C 2  R1  3  22  106  5600  0,37 с,
(5.16)
tФ 3  3  C 3  R 4  3  47  10 6  3600  0,508 с.
(5.17)
5.2 Расчёт переключателя и стабилизатора напряжения
Выберем в качестве VT6 транзистор BC108C и примем по входной
характеристике ток базы, Iб6 = 4 мкА (рисунок 5.4), тогда ток коллектора
транзистора VT6 будет равен
I к 6   6  I б 6  500  4  10 6  2 мА,
(5.18)
где β6 = 500 – коэффициент усиления тока в схеме с ОЭ.
Ток делителя транзистора VT6, проходящий через сопротивления Rб1(6)
и Rб2(6) равен
I д 6  20  I б 6  20  4  10 3  80 мкА,
(5.19)
отсюда сопротивление Rб2(6) равно
Rб2(6) 
U бэ6
,
I д6
(5.20)
где Uбэ6 – напряжение база-эмиттер транзистора VT6 (0,6 В), тогда
Rб2(6) 
0,6
 7,5 кОм.
80  10 6
(5.21)
Сопротивление Rб2(6) определяется выражением
Rб2(6)  R16 
R18  R14
.
R18  R14
(5.22)
Согласно выражению (5.22) выберем сопротивления резисторов R14 =
7,5 кОм, R16 = 4,3 кОм и R18= 5,6 кОм и сделаем проверку
Rб2(6)  4300 
5600  7500
 7,506 кОм.
5600  7500
Зададим ёмкость конденсатора C4 = 6,8 мкФ.
R8
+1,9 В
R17
Вход с РЭ
Выход на УР
Rб1(6)
VT6
С4
Rб2(6)
Рисунок 5.4 – Схема включения ИМ
Падение напряжения на резисторе Rб1(6) определяется выражением
U Rб1( 6)  U VL1  U бэ6 ,
(5.23)
где UVL1 – напряжение на лампе (2,5 В). Таким образом, падение
напряжения равно
U Rб1( 6)  2,5  0,6  1,9 В,
отсюда сопротивление Rб1(6) равно
Rб1(6) 
U Rб1( 6)
I д6

1,9
 23,75  24 кОм.
80  10 6
(5.24)
Сопротивление Rб1(6) определяется также выражением
Rб1(6) 
R15  R19
.
R15  R19
(5.25)
Зададим R15 = 75 кОм, R19 = 36 кОм и проверим выражение (5.24)
Rб1(6) 
75000  36000
 24,324  24 кОм.
75000  36000
Ток коллектора транзистора VT5 равен току нагрузки (лампы)
Iк5 = 0,45 А.
Выберем в качестве VT5 транзистор BD180 (рисунок 5.5). Зададим
коэффициент усиления тока, β5 = 10. Тогда ток базы транзистора VT5 будет
равен
Iб5
450  10 3


 45 мА.
5
10
I к5
RЭКВ
(5.26)
RVL1
Выход на ИМ
Вход с УР
VT5
R13
+2,7 В
Рисунок 5.5 – Схема включения РЭ
Выберем в качестве VT4 транзистор 2N4240 и примем по входной
характеристике ток базы, Iб4 = 0,46 мА (рисунок 5.6). Возьмём коэффициент
усиления тока транзистора VT4, β4 = 100. Ток коллектора будет равен
I к 4   4  I б 4  100  0,46  10 3  46 мА.
(5.27)
Ток, протекающий через резистор R13 равен
I R13  I к 4  I б 5  46  10 3  45  10 3  1 мА,
(5.28)
тогда сопротивление резистора R13 будет равно
R13 
U бэ5
0,6
 3  600 Ом.
I R13 10
Выберем по номинальному ряду [38] сопротивление резистора
R13 = 680 Ом ±10 %.
(5.29)
+2,7 В
R13
Выход на РЭ
Rб1(4)
R12
Вход с ПК
VT4
Rб2(4)
R11
R10
Рисунок 5.6 – Схема включения УР
Напряжение на эмиттере транзистора VT4 равно
U э 4  UVL1  UVD4 ,
(5.30)
где UVD4 = 1,9 В – напряжение стабилизации VD4.
U э 4  2,5  1,9  0,6 В.
Суммарное сопротивление резисторов R10 и R11 определяется
выражением
R10,11 
U э4
0,6

 13 Ом,
I э4
46  10 3
(5.31)
где Iэ4 – ток эмиттера транзистора VT4 (Iэ4 ≈ Iк4).
Зададим сопротивление развязывающего резистора R11 = 1 Ом, тогда
сопротивление резистора R10 будет равно
R10  R10,11  R11  12 Ом.
(5.32)
Падение напряжения на резисторе R12 определяется как
U R9  U ВХ  U э4  U бэ5  2,7  0,6  0,6  1,5 В,
тогда сопротивление резистора R12 будет равно
(5.33)
R12 
U R9
1,5

 33 Ом.
Iб5
45  10 3
(5.34)
Зададим ток, протекающий через резисторы R8 и R17 (IR8,17 = 0,6 мА) и
ток резистора R17
I R17  I R8,17  I б 4  0,6  103  0,46  103  0,14 мА.
(5.35)
Напряжение на коллекторе транзистора VT6 определяется как
U к 6  U R10  U э4 ,
(5.36)
где UR10,11 – падение напряжения на резисторе R10 и R11
U R10,11  R10,11  I э4  13  46  103  0,598 В,
(5.37)
U к 6  0,598  0,6  1,198 В,
следовательно, сопротивление резистора R17 будет равно
R17 
U VL1  U к 6 2,5  1,198

 9,3 кОм.
I R17
0,14  10 3
(5.38)
Выберем по номинальному ряду [38] сопротивление резистора
R17 = 9,1 кОм ±5 %.
Падение напряжения на резисторе R8 равно
U R8  UVD1  U к 6  1,9  1,152  0,748 В.
(5.39)
Получим сопротивление резистора R8
R8 
U R8
0,748

 1,626 кОм.
Iб4
0,46  10 3
(5.40)
По номинальному ряду [38] сопротивление резистора
R8 = 1,5 кОм ±10 %.
Сопротивление резистора R7 по [46] равно темновому сопротивлению
фоторезистора СФ2-6 (рисунок 5.7)
R7 = 1,5 МОм.
Зададим сопротивление резистора R6 (R6 << R7)
R6 = 33 кОм.
Падение напряжения на резисторе R6 должно быть меньше 0,6 В (в
закрытом состоянии транзистора VT3)
U R6
R6
33  103
 UVD1 

 0,041 В.
R6  R7 33  103  1,5  106
(5.41)
+1,9 В
R7
R8
Выход на УР
Вход с ВЗГ
VT3
R6
R10
Рисунок 5.7 – Схема включения ПК
Смоделируем электрическую принципиальную схему фотоавтомата в
пакете Micro-CAP 7.0 как показано на рисунке 5.8 и построим временные
диаграммы напряжений и токов. Лампа накаливания обозначена на схеме
резистором R20 с сопротивлением 5,56 Ом.
Рисунок 5.8 – Схема фотоавтомата в Micro-Cap 7.0
Для построения временных диаграмм в меню «Analysis» выберем
«Transient…». Далее появится окно «Transient Analysis Limits» (рисунок 5.9).
Рисунок 5.9 – Окно «Transient Analysis Limits»
Зададим параметры построения временных диаграмм согласно рисунку
5.9 и нажмём клавишу «Run». Далее появятся графики, представленные на
рисунке 5.10.
Для перевода фотоавтомата в постоянный режим горения необходимо
включить в схему диод VD2, установив переключатель SA1 в положение «вкл.»
(рисунок 5.1). В результате этого ВЗГ отключится. При этом амплитуда
напряжения и тока будет постоянная (рисунок 5.12).
Рисунок 5.10 – График зависимости амплитуды напряжения от времени (в 12 и
1 узлах схемы)
Рисунок 5.11 – График зависимости амплитуды напряжения и тока на лампе от
времени
Рисунок 5.12 – График амплитуды напряжения и тока на лампе от времени при
постоянном режиме горения
Исходя из проведённого анализа схемы фотоавтомата в пакете MicroCAP 7.0, можно сделать вывод о том, что полученные значения длительности
проблеска и паузы, а также амплитуд напряжений и токов совпадают с
расчётными значениями.
6 Конструкторская часть
6.1 Выбор конструкции пьезоэлектрического генератора
Пьезоэлектрический
генератор
(ПГ)
состоит
из
механического
преобразователя воздействия (МПВ) и пьезоэлектрического преобразователя
(ПП).
На рисунке 6.1 изображена конструкция МПВ, в состав которого входят
кольцо, ударник, стержень и шар. МПВ представляет собой цельную
конструкцию, выполненную из углеродистой качественной конструкционной
стали марки 30, с качеством поверхности группы 2ГП без термической
обработки по ГОСТ 1050-88. МПВ крепится кольцом к подвесу таким образом,
чтобы он мог отклоняться во всех направлениях.
кольцо
ударник
стержень
шар
Рисунок 6.1 – Конструкция МПВ
Рассчитаем диаметр шара МПВ.
Исходные данные:

масса маятника, m: 4000 г;

плотность материала, ρ: 7,87 г/см3;

расстояние от точки подвеса до центра шара, B: 80 см;

расстояние от точки подвеса до приложения усилия, b1: 3 см;

длина ударника, Lуд: 2 см;

радиус большого основания ударника, Rуд: 8,375 мм;

радиус малого основания ударника, rуд: 6,235 мм;

радиус стержня маятника, Rc: 0,5 см;

внутренний радиус кольца, rк: 0,5 см;

внешний радиус кольца, Rк: 1,0 см;

толщина кольца, Hк: 1 см;

расстояние от кольца до ударника, Rк.уд: 1,0 см.
Объём полукольца равен
Vпк 
Vпк 
1
  H к  ( Rк 2  rк 2 ),
2
(6.1)
1
  1  (1,0 2  0,5 2 )  1,178 см 3 .
2
Объём стержня между кольцом и ударником равен
Vк. уд    Rк. уд  Rс ,
2
(6.2)
Vк. уд    1,0  0,5 2  0,785 см 3 .
Объём ударника определяется как
1
2
2
V уд    L уд  ( R уд  R уд  rуд  rуд ),
3
(6.3)
1
V уд    2  (0,8375 2  0,8375  0,6235  0,62352 )  3,377 см 3 .
3
Объём стержня между малым основанием ударника и центром шара
равен
V уд.ш    ( B  b1 
Lуд
2
)  Rс ,
2
(6.4)
2
V уд.ш    (80  3  )  0,52  59,69 см 3 .
2
Объём маятника от точки подвеса до центра шара (без большей части
шара) определяется выражением
V1  Vпк  Vк . уд  V уд  V уд.ш ,
(6.5)
V1  1,178  0,785  3,377  59,69  65,03 см 3 .
Масса маятника от точки подвеса до центра шара (без большей части
шара) определяется выражением
m1  V1   ,
(6.6)
m1  65,03  7,87  511,786 г.
Масса большей части шара равна
mшб  m  m1 ,
(6.7)
mшб  4000  511,786  3488,214 г.
Составим систему уравнений для нахождения радиуса шара Rш
m шм      Rш R с 2 ,

4
3
Vш     Rш ,

3
mш    Vш ,

mш  mшб  mшм ,
(6.8)
где mшм – масса малой части шара (масса части стержня длиной Rш);
Rш – объём шара;
mш – масса шара.
Решив систему уравнений (6.8), получим следующий результат
mшм = 29,317 г,
Rш = 4,743 см,
Vш = 446,954 см3,
mш = 3517,528 г.
В состав ПП (рисунок 6.2 – 6.4) входят:

опорное кольцо;

крышка;

5 держателей (стакан, фторопластовое кольцо (ФК), изоляционное
пьезокерамическое кольцо (ИПК));

5 пьезокерамических дисков (пьезоэлементов);

5 протекторов.
Рисунок 6.2 – Опорное кольцо (вид сверху)
Рисунок 6.3 – Крышка (вид сверху)
Опорное кольцо крепится к корпусу буя. Пьезоэлементы помещаются в
держатели, которые притягиваются крышкой к опорному кольцу через шайбы
(А.6.01.Ст3кп ГОСТ 10450-78) пятью болтами (К1М6×1,0 – 8g×16.109.40X.019
ГОСТ 7805-70). ИПК тонким слоем клеится ко дну стакана клеем BC10-T
(ГОСТ 22345-77), прижимая ФК. Таким же образом, каждый протектор клеится
к пьезоэлементу. Материалом для ФК является фторопласт-4 марки ПН или О
(ГОСТ 10007-80). Опорное кольцо, крышка, стаканы и протекторы состоят из
того же материала, что и МПВ. В опорном кольце, каждом стакане и ИПК
имеются отверстия диаметром 3 мм для вывода проводов, припаянных к
металлизированной
параллельно
поверхности
соединяются
через
пьезоэлемента.
диоды
(для
Все
пьезоэлементы
исключения
обратного
пьезоэффекта) в один провод, через который импульсы поступают на RCфильтр преобразователя.
протектор
стакан
пьезоэлемент
ФК
Ø3
ИПК
Рисунок 6.4 – Держатель для пьезоэлемента (разрез)
6.2 Выбор конструкция преобразователя
На рисунках 6.5 и 6.6 изображён преобразователь постоянного
напряжения (ППН) MSS-MHL, входящий в состав преобразователя (см. схему
на рисунке 4.9 главы 4). ППН представляет собой герметичный блок, в котором
собрана вся печатная плата. Лёгкий аллюминивый корпус (300 г) обеспечивает
высокую теплопроводность.
104,1
91,4
61,0
66,0
71,1
76,2
25,4
12,7
38,1
43,2
48,3
MSS-MHL
50,8
61,0
2,96+-0,1
106,7
116,8
Рисунок 6.5 – DC/DC конвертор MSS-MHL (вид сверху)
14,0
0,76×0,81
14,7
19,8
2,0
Рисунок 6.6 – DC/DC конвертор MSS-MHL (вид сбоку)
6.3 Выбор конструкции фотоавтомата
Печатные платы делятся на три типа:

односторонние;

двустроронние;

многосторонние.
Для фотоавтомата выберем двухстороннюю ПП с металлизированным
монтажом и переходными отверстиями, характеризующуюся
высокими
коммутационными свойствами, повышенной прочностью соединений вывода
навесного элемента с проводящим рисунком платы (ГОСТ 23751-86).
Монтажная
плата
фотоавтомата
(ФА),
на
которой
полностью
смонтирована вся электрическая схема, помещается в пластмассовый корпус и
заливается эпоксидным компаундом (ГОСТ Р 51330.17-99).
На рисунке 6.7 изображён сборочный чертёж фотоавтомата. Установка
элементов производится по ОСТ 4.010.030-81.
6
6
5
R10
VD2
R4
C3
VT1 к
э
VD3
R5
VT2
б
к
э
б
к
R12
R8
R16
VT3
VD4
э
э
к VT5
б VT6
к
б
6
X1
1
2
R13
C1
VT4
э б
R11
R9
9
10
б
э
VD1
R14
R3
R1 R2
к
R6
С4
C2
1
2
3
4
R17 R15 R19 R18
Рисунок 6.7 – Сборочный чертёж фотоавтомата
Установка элементов производится следующим образом:

резисторы R1...R19 по варианту Ia;

конденсаторы C1...C3 по варианту IIв;

конденсатор C4 по варианту VIa;

разъём X1 в плотную на плату.
Шаг координатной сетки 1,25 мм. Распайка коллектора транзистора VT4
производится
проводом
поз.
5
по
ГОСТ
23587-96.
Под
элементы,
расположенные на печатных проводниках клеится лакоткань ЛХМ-105-02
(ГОСТ 2214-78) поз. 6 клеем БФ-2 (ГОСТ 12172-74). Припой ПОС-61 по ГОСТ
21931-76.
Фотодатчик СФ2-6, вынесенный на боковую поверхность корпуса буя,
переключатель SA1 (для выбора режима работы) и сигнальный фонарь (лампа
накаливания СГВ 2,5-0,45) соединяются с платой ФА через разъём X1 (BH-10R
НЩО.364.061 ТУ). Преобразователь так же соединяется с ФА разъёмом через
соответствующие выводы.
SA1 представляет собой переключатель ручного управления типа
«Тумблер» (П1Т-1-1КВ ОЮ0.360.028). Концы присоединительных монтажных
проводов должны без натяжения подводиться к переключателю. При подпайке
должны приниматься меры, исключающие проникновение паяльного флюса на
контактирующую поверхность. Концы подпаиваемых проводов должны быть
предварительно облужены, места пайки следует закрасить изоляционным лаком
или эмалью и поверх надеть изоляционную втулку. Перед пайкой монтажные
провода должны быть механически закреплены в отверстиях выводов.
7 Экономическая часть
В данном разделе проводится расчет затрат на проектирование
пьезоэлектрического генератора.
Необходимость расчётов вызвана требованиями технического задания.
На основе данных полученных при расчете, можно будет сделать вывод о
целесообразности разработки и проектирования
Затраты
на
проектирование
устройства
складываются
из
следующих статей затрат:

трудовые затраты на проектирование (основная заработная плата,
дополнительная заработная плата, отчисления от фонда оплаты
труда, включающие единый социальный налог ЕСН и на
несчастные случаи: травматизм, ущерб для здоровья, увечья и др.);

материальные затраты (бумага, расходные материалы к принтеру,
канцелярские принадлежности: карандаши, линейки, стерательная
резинка, папки, скрепки, скобки, кнопки, и др.);

затраты на эксплуатацию и ремонт оборудования (оргтехники),
состоящие из амортизационных отчислений оргтехники (исходя из
срока полезного использования, который следует увязать с
трудоемкостью работы на данном оборудовании), затрат на
электроэнергию, затрат на ремонт оргтехники (2 – 3 % от
стоимости);

амортизация рабочего места проектировщика;

накладные расходы (с указанием общего процента и состава).
7.1 Заработная плата разработчика
Затраты на заработную плату разработчика включают затраты на
основную заработную плату, дополнительную и отчисления на социальные
нужды.
Основная
заработная
плата
разработчика
определяется
по
его
должностному окладу и трудоёмкости выполненной им работы. Работа
заключается в разработке пьезоэлектрического генератора. На разработку
методики ушло 2 месяца (февраль и март 2005 года), что составляет 59 дней. Из
них 18 дней выпало на выходные и праздники. Получаем, что на исследования
потребовалось 41 рабочих дня. При этом были выполнены виды работ,
приведённые в таблице 7.1. Поправочные коэффициенты равны единице.
Учитывая, что среднее число рабочих дней в месяце на 2005 год
составляет 21 день, получаем, что трудоемкость разработки методики контроля
равна 2 чел/мес. (41/21 = 2).
Разработкой
пьезоэлектрического
генератора
занимается
один
исполнитель – младший научный сотрудник. Оклад младшего научного
сотрудника восьмого разряда составляет 2500 рублей.
Его основная заработная плата (ОЗП) находится по формуле
ОЗП = ОЗ∙ТР = 2∙1220 = 5000 руб.,
где ОЗ – должностной оклад младшего научного сотрудника, руб;
ТР – трудоемкость работ, чел./мес.
Потребный фонд заработной платы для разработчика рассчитывается по
формуле
ПФЗП = ОЗП + ОЗП∙РК = 5000 + 5000∙0,15 = 5750 руб.
где РК – районный коэффициент (для нашего региона РК = 15 %).
Таблица 7.1
Наименование этапов
1. Техническое задание:
 изучение вопроса;
 изучение
объекта
разработки;
 составление задания.
2. Техническое предложение:
 поиск литературы;
 изучение литературы;
 патентный поиск.
3. Разработка рабочей документации:
 механический
преобразователь
воздействия;
 схема
расчёта
механического
воздействия;
 сборочный
чертёж
пьезоэлектрического
преобразователя;
 ведомость
покупных
изделий;
 подготовка, оформление и проведение
расчётов.
ИТОГО:
Количество листов Трудоемкость,
(единица
чел.-дн.
нормирования), шт.
2 (А4)
6
7
2
10 (А4)
5
10
2
1 (А2)
2
1 (А2)
1
2 (А1)
2
1 (А4)
1
11 (А4)
3
41
Затраты, связанные с основной заработной платой разработчика
приведены в таблице 7.2.
Рассчитаем дополнительную заработную плату (ДЗП) разработчика.
Определим коэффициент ДЗП. В 2005 году 365 дней, из них рабочих – 250.
Выходные составляют 105 дня, праздничные 10. Из 250 рабочего дня вычтем:
на отпуск – 27 дней, на больничные – 7 дней, на выполнение государственных
обязательств – 1 день. Осталось 215 дней. Коэффициент рассчитывается по
формуле
КДОП = (250/215) – 1 = 0,163 или 16,3 %
Дополнительная заработная плата разработчика будет равна
ДЗП = ПФЗП∙КДОП = 5750∙0,163 = 937,25 руб.
Таблица 7.2
Исполнитель
Младший
научный
сотрудник
Трудоёмкость,
чел.-мес.
2
Должностной
оклад, руб. (по
данным единой
тарифной сетки)
2500
Основная
зарплата
(ОЗП),
руб.
5000
Районный
коэффицие
нт к ОЗП,
руб.
Полный
фонд
зарплаты
(ПФЗП),
руб.
750
5750
Отчисления во внебюджетные фонды (ЕСН = 26 %: пенсионный фонд –
20 %, медицинского страхования – 2,8 %, фонд социального страхования – 3,2
%) от потребного фонда заработной платы (включая районный коэффициент) и
дополнительной заработной платы.
Затраты необходимые на выплату заработной платы разработчику
приведены в таблице 7.3.
Таблица 7.3
Сумма
Статья затрат
затрат,
руб.
1. Потребный фонд основной заработной платы (ПФЗП), руб.
5750
2. Дополнительная заработная плата (ДЗП) (при КДОП. = 16,3 %),
937,25
руб.
3. Отчисления во внебюджетные фонды (при ЕСН = 26 %), руб.
1738,69
ИТОГО:
8425,94
7.2 Расчёт материальных затрат на проектирование
Разработка
конструкторских
документов
велась
с
помощью
1
компьютера, текстовые документы печатались на бумаге формата А4 на
лазерном принтере HР-1010, графическая часть на бумаге формата А2 и А1 на
струйном плоттере DesignJet: 250С. В таблице 7.4 приведены затраты на
расходные материалы.
Таблица 7.4
Расходный
материал
Бумага А4
Рыночная
стоимость
135 руб. – 500
листов
Бумага А2
3 руб. за лист
Бумага А1
6 руб. за лист
Картридж для
935 руб. на 1000
принтера HР-1010 копий
Картридж для
1160 руб. на 300
плоттера НР
копий А1 и на 600
Design Jet: 250С
копий А2
ИТОГО:
Количество
Стоимость, руб.
24 листа
6,48
2 листа
2 листа
на 24 копии
6
12
22,44
на 3 копии
7,73
54,65
7.3 Расчёт затрат на эксплуатацию оргтехники
7.3.1 Затраты на амортизацию и ремонт оборудования
В процессе работы техника изнашивается, стареет, поэтому необходимо
рассчитать отчисления на амортизацию и ремонт оборудования. В таблице 7.5
приведены сведения об отчислениях на эти статьи (согласно данным плановоэкономического отдела рассматриваемого предприятия).
Расчет амортизационных отчислений за период работы оборудования
проводился из расчета того, что в месяце в среднем Чм = 166,33 рабочих часов
по формуле
Аобор. = Спер.∙На/100∙Тпр./Чм∙К,
где Спер. – первоначальная стоимость оборудования, руб.;
На – процент месячных отчислений на амортизацию оборудования
(из расчета работы оргтехники 3 – 5 лет из общероссийского
классификатора основных средств). На = 1/(3∙12)∙100 % = 2,8 %;
Тпр – трудоемкость выполнения по каждому из исполнителей, чел.ч.;
Чм – среднее количество рабочих часов в месяце, ч. (принято 166,33
ч.);
К – коэффициент использования оборудования (принять равным
0,7).
Затраты на ремонт оргтехники рассчитываются по формуле
Зрем. = (Ррем.∙Спер.∙Тпр./Чм.∙К)/(12∙100 %),
где Ррем – среднестатистический процент годовых затрат на ремонт
оргтехники от его стоимости (по данным общероссийского
классификатора основных средств принять 4 %).
Таблица 7.5
Первоначальная Время
стоимость (Спер.), работы
Оборудование руб.
(Тпр.),
чел.-ч
Компьютер
15000
30
Принтер HР5200
1,5
1010
Плоттер НР
DesignJet:
80000
1,0
250С
ИТОГО:
ИТОГО: отчисления на амортизацию
оргтехники
Отчисления на
амортизацию за
отчетный
период, руб.
53,03
0,92
Отчисления на
ремонт за
отчетный
период, руб.
6,31
0,11
9,43
1,12
и
63,38
на ремонт
7,54
70,92
7.3.2 Затраты на электроэнергию
В таблице 7.6 приведены затраты на электроэнергию. Для г. Омска
установлен тариф за пользование электроэнергией в размере 1,27 руб./кВт-ч.
Расчет затрат произведён по формуле
Зэ/э = Тпр.∙К∙Мпотр.∙Цэ/э,
где Мпотр. – потребляемая мощность оборудования (по паспорту), кВт;
Цэ/э – стоимость 1 кВт-ч. потребленной электроэнергии, руб.
Таблица 7.6
Оборудование Время
работы
Тпр., ч.
Потребляемая
мощность по
паспорту
Мпотр., кВт
Фактически
потребленная
мощность
(Тпр.∙Мпотр.∙К),
кВт-ч
0,026
Принтер НР1,5
0,025
1010
Плоттер НР
DesignJet:
1
0,05
0,035
250С
Компьютер
30
0,3
6,3
ИТОГО: затраты на электроэнергию составили
Затраты на
электроэнергию,
руб.
0,033
0,044
8,001
8,078
7.3.3 Затраты на амортизацию программного обеспечения
В затраты на эксплуатацию ЭВМ необходимо включать и затраты на
амортизацию программного обеспечения, которые рассчитываются по формуле
Зп/о = (К∙∑Цп/о∙ Тпр/Чм.)/Тсм.,
где ∑Цп/о – сумма цен программного обеспечения, включающая в себя:
стоимость одного Windows XP = 1700 руб.; стоимость одного пакета
Office XP = 1800 руб.; стоимость одного пакета MathCAD 2003 = 1500
руб.;
Тсм. – продолжительность работы программного обеспечения до его
замены (принять равным 24 мес.).
Таким образом, затраты на амортизацию программного обеспечения ЭВМ
составили
Зп/о = (0,7∙(1700 + 1800 + 1500)∙30/166,33)/24 = 26,3 руб.
7.4 Затраты на амортизацию рабочего места проектировщика
Затраты на амортизацию рабочего места проектировщика определяются
по формуле
Ар.м. = (С1∙Sпр.∙ Нар.м.∙Тпр/Чм.)/100 %,
где С1 – стоимость 1 м2 производственной площади, руб. (по данным
планово-финансового отдела предприятия принять 4500 руб. за 1
м2);
Sпр. – площадь, отведенная для одного проектировщика (принято 4
м2)
Нар.м – процентная доля амортизации за 1 месяц, которая
рассчитывается исходя из периода эксплуатации помещения 80 лет.
Нар.м = 100 %/(80∙12) = 0,1 %.
Таким
образом,
затраты
на
амортизацию
рабочего
места
проектировщика составили:
Ар.м. = (4500∙4∙0,1∙30/166,33)/100 % = 3,25 руб.
7.5 Накладные расходы
Накладные расходы рассчитываются по формуле
Знакл. = ПФЗП∙Кнакл/100 %,
где Кнакл – процент накладных расходов (по данным плановофинансового отдела на рассматриваемом предприятии принято 160
%).
Данная статья расходов включает в себя следующие расходы:

основная и дополнительная плата административного персонала –
32,5 %;

премии административно-управленческого персонала – 4,5 %;

почтовые и телеграфные расходы – 4,4 %;

содержание
зданий,
сооружений,
инвентаря
хозяйственного
назначения – 18 %;

отчисления на капитальный ремонт – 10 %;

текущий ремонт зданий и сооружений – 20 %;

отчисления на производство испытаний, опытов и исследований – 9
%;

услуги грузового автотранспорта –5,6 %;

расходы на работы по охране труда – 3,5 %;

расходы на сторожевую и пожарную охрану – 7 %.
Таким образом, накладные расходы составят
Знакл. = 5750∙160 %/100 % = 9200 руб.
7.6 Смета затрат на проектирование
Смета затрат на проектирование приведена в таблице 7.7.
Таблица 7.7
Статья расходов
Величина расходов, руб.
Суммарные трудовые затраты
Затраты на расходные материалы
Расходы
на
эксплуатацию
оборудования
Затраты на амортизацию рабочего места
проектировщика
Накладные расходы
ИТОГО:
8425,94
54,65
105,298
3,25
9200
17789,138
8 Безопасность и экологичность проекта
8.1 Охрана труда
8.1.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов на
рабочем месте инженера-конструктора (при работе с ЭВМ)
В данном дипломном проекте рассчитывается пьезоэлектрический
генератор,
который
может
быть
использован
в
качестве
генератора
электрической энергии в навигационном буе, поэтому в данном разделе
рассмотрим рабочее место инженера-конструктора. В соответствии с [42]
реальные производственные условия подразделяются на опасные и вредные
производственные факторы.
Опасные и вредные производственные факторы подразделяются на:
Физические:
1)
повышенная температура внешней среды;
2)
отсутствие или недостаточная освещенность рабочей зоны;
3)
повышенное
значение
напряжения
в
электрической
цепи,
замыкание которой может произойти через тело человека;
4)
повышенный уровень статического электричества;
5)
повышенный уровень электромагнитных излучений.
Психофизические:
1)
умственное перенапряжение;
2)
перенапряжение зрительных и слуховых анализаторов;
3)
монотонность труда;
4)
эмоциональные перегрузки.
Воздействие
снижению
указанных
работоспособности,
неблагоприятных
вызванное
факторов
развивающимся
приводит
к
утомлением.
Появление и развитие утомления связано с изменениями, возникающими во
время работы в центральной нервной системе, с тормозными процессами в коре
головного мозга. Длительное нахождение человека в зоне комбинированного
воздействия
различных
неблагоприятных
факторов может привести
к
профессиональному заболеванию. Анализ травматизма среди работников
вычислительных центров (ВЦ) показывает, что в основном несчастные случаи
происходят от воздействия физически опасных производственных факторов
при заправке носителя информации на вращающийся барабан при снятом
кожухе, при выполнении сотрудниками несвойственных им работ. На втором
месте случаи, связанные с воздействием электрического тока.
8.1.1.1 Освещение
Освещение подразделяется на естественное и искусственное. В свою
очередь естественное освещение бывает: боковое (световой проём в стене),
верхнее (световой проём в потолке), комбинированное (боковое и верхнее).
Искусственное освещение подразделяется на: общее (равномерное или
локализованное), комбинированное (общее и местное).
Освещенность рабочего места должна соответствовать характеру
выполняемой работы, который определяется наименьшим размером объекта
различения, контрастом объекта с фоном и характеристикой фона. Согласно
[40] инженер-конструктор выполняет работы высокой точности, отнесённые к
разряду III. В таблице 8.1 приведены значения освещённости и коэффициента
естественного освещения.
Требования к освещению [43]:
1)
освещённость на поверхности стола в зоне расположения документа
300 – 500 лк;
2)
освещённость поверхности экрана не должна быть больше 300 лк;
3)
показатель ослеплённости для источников общего искусственного
освещения в производственных помещениях должен быть не более
20;
4)
коэффициент пульсации не должен превышать 5%.
Таблица 8.1
Характеристика Минимальный
зрительной
объект
работы
различения, мм
Высокой
точности
0,3 – 0,5
Совмещенное
боковое
освещение,
КЕО %
1,2
Искусственное
освещение, лк
Система общего
освещения
300
8.1.1.2 Оптимальные нормы микроклимата для помещений ЭВМ
В соответствии с [44] нормы микроклимата показаны в таблице 8.2.
Таблица 8.2
Период года Категория
работ
Холодный
Тёплый
Лёгкая Іа
Лёгкая Іа
t, 0С
Относительная
влажность, %
22 – 24
23 – 25
40 – 60
40 – 60
Скорость
движения
воздуха, м/с
0,1
0,1
Рабочее место инженера-конструктора относится к категории Іа, т.е.
работы, производимые сидя и не требующие физического напряжения (до 120
ккал/час).
Для внутренней отделки интерьера в помещении с ЭВМ должны
использоваться диффузно отражающие материалы с коэффициентом отражения
для потолка 0,7 – 0,8, для стен 0,5 – 0,6, для пола 0,3 – 0,5. Не рекомендуется
использовать материалы следующего вида: древесностружечные плиты,
синтетические ковровые поверхности, покрытия, слоистый бумажный пластик
и т.д., т.е. материалы, выделяющие в воздух вредные химические вещества.
Поверхность пола должна быть ровной, не скользкой, удобной для
очистки и влажной уборки, обладать антистатическими свойствами.
Для повышения влажности воздуха в помещение с ЭВМ следует
применять увлажнители воздуха.
8.1.1.3 Обеспечение электробезопасности
Электрические установки, к которым относится практически все
оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную
опасность, так как в процессе эксплуатации или проведении профилактических
работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением.
Специфическая
опасность
электроустановок:
токоведущие
проводники,
корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в
результате повреждения (пробоя) изоляции, не подают каких-либо сигналов,
которые предупреждают человека об опасности. Реакция человека на
электрический ток возникает лишь при протекании последнего через тело
человека.
Исключительно
электротравмотизма
важное
имеет
значение
правильная
для
организация
предотвращения
обслуживания
действующих электроустановок ВЦ, проведения ремонтных, монтажных и
профилактических работ. В зависимости от категории помещения необходимо
принять
определенные
меры,
обеспечивающие
достаточную
электробезопасность при эксплуатации и ремонте электрооборудования. Так, в
помещениях с повышенной опасностью электроинструменты, переносные
светильники должны быть выполнены с двойной изоляцией или напряжение
питания их не должно превышать 42 В. В особо опасных же помещениях
напряжение питания переносных светильников не должно превышать 12 В, а
работа с электротранспортируемым напряжением не выше 42 В разрешается
только с применением СИЗ (диэлектрических перчаток, ковриков и т.п.).
В соответствии с [45] напряжения прикосновения и токи, протекающие
через тело человека при нормальном (неаварийном) режиме электроустановки,
не должны превышать значений, указанных в таблице 8.3.
Таблица 8.3
U, В
Род тока
Переменный, 50 Гц
Переменный, 400 Гц
Постоянный
I, мА
не более
2,0
3,0
8,0
0,3
0,4
1,0
Предельно допустимый уровень напряжения прикосновения при
аварийном режиме согласно [45] не должен превышать значений указанных в
таблице 8.4.
Таблица 8.4
Время
воздействия, с
Предельно
допустимый
уровень
напряжения, В
0,01 0,1
0,2 0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8 0,9
1
220 200 100 70
55
50
40
35
30
20
25
8.1.1.4 Требования к организации и обслуживания рабочих мест с
ПЭВМ
К ним относятся следующие требования [43]:
1)
рабочие места с ПЭВМ по отношению к светлым проемам должны
располагаться
так,
чтобы
естественный
свет
падал
сбоку
преимущественно слева;
2)
схема размещения рабочих мест с ПЭВМ должны учитывать, что
расстояние между боковыми поверхностями монитора должны
быть 1,2 метра, а расстояние от экрана монитора до тыльной
стороны соседнего монитора не менее 2 метров;
3)
оконные проемы должны быть оборудованы регулированными
устройствами типа жалюзи, занавесы, внешние козырьки;
4)
рабочие места с ПЭВМ при выполнении творческой работы,
требующее значительно умственного напряжения или высокой
концентрации внимания, следует изолировать друг от друга
перегородками высотой 1,5 – 2 метра;
5)
конструкция рабочего стола должна обеспечивать оптимальное
размещение на рабочей поверхности используемого оборудования
(в том числе и дополнительного);
6)
конструкция
рабочего
стула
(кресла)
должна
обеспечивать
поддержание национальной рабочей позы, позволять изменять позу
с целью снижения статического напряжения мышц шейно-плечевой
области и спины. Для предупреждения развития утомления.
Рабочий стул должен быть подъемно-поворотным, регулированным
по высоте и углам наклона сиденья и спинки, а также расстояние
спинки от переднего края сиденья. При этом регулировка должна
быть независима, легко осуществляемой;
7)
поверхность сиденья спинки и других элементов стула должна быть
полумягким
и
нескользящим,
не
электризующимся
и
воздухопроницаемым покрытием, обеспечивающий легкую очистку
от загрязнения;
8)
расстояние от экрана монитора до глаз пользователя, оператора не
менее 50 см, оптимальное расстояние 60 – 70 см;
9)
клавиатура должна находиться ниже поверхности стула, на
специальной выдвижной полки. Расстояние от края полки до края
клавиатуры должно быть 10 – 30 см;
10) в помещениях с ПЭВМ должна проводится ежедневно влажная
уборка. Должны быть оснащены аптечкой первой помощи и
углекислотным огнетушителем;
11) рабочее
место
с
ПЭВМ
должно
быть
оснащено
легко
перемещаемым пюпитром для документов.
8.1.1.5 Требования к ПЭВМ
К ним относятся следующие требования [43]:
1)
конструкция ПЭВМ, его дизайн и совокупность эргономических
параметров
должны
обеспечивать
надежное
и
комфортное
изображение информации в условиях информации;
2)
конструкция ПЭВМ должна обеспечивать фронтальное наблюдение
экрана путем поворота корпуса в горизонтальной плоскости в
переделах ± 300 и в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной
оси в пределах с фиксацией в заданном положении;
3)
дизайн ПЭВМ должен предусматривать окраску корпуса в
спокойные мягкие тона. Корпус ПЭВМ, клавиатуры и других
устройств должны иметь матовую поверхность одного цвета с
коэффициентом отражения 0,4 – 0,6. Не иметь, блестящих деталей
способных создавать блики;
4)
на лицевой стороне корпуса ПЭВМ не рекомендуется располагать
органы управления, маркировку какие – либо вспомогательные
надписи и обозначения. При необходимости расположения органов
управления на лицевой панели они должны закрываться крышкой
или быть утоплены в корпусе;
5)
допустимое
значение
электромагнитных
излучений
параметра
должны
неионизирующих
быть
следующими:
напряженность электромагнитного поля на расстоянии 50 см вокруг
ВДТ по электрической составляющей должна быть не более 25 В/м
в диапазоне частот от 5 Гц до 2 кГц и 2,5 В/м в диапазоне частот от
2 до 400 кГц;
6)
поверхностный
электростатический
потенциал
не
должен
превышать 500 В.
8.1.1.6 Меры по снижению и устранению действия опасных и вредных
факторов
Главными направлениями улучшения условий труда и обеспечения
безопасности пользователей ПЭВМ являются следующие:
1)
улучшение условий зрительной работы;
2)
обеспечение удобной позы пользователя;
3)
проведение производственной гимнастики;
4)
обеспечение электробезопасности.
Уменьшение нагрузки на зрение может быть достигнуто за счет
использования высококачественных мониторов, подбора освещенности и цвета
рабочих и окружающих поверхностей.
Для уменьшения блесткости используемых мониторов их экраны
необходимо обработать кислотой или покрыть антибликовым составом. Кроме
того, можно использовать защитный светофильтр, который снижает уровень
излучения от экрана.
8.1.2 Расчёт искусственного и естественного освещения
Определим
освещенности
нормированное
(КЕО)
согласно
значение
[46].
коэффициента
Выберем
следующие
естественной
параметры:
характеристика зрительной работы (различение объектов при фиксированной и
нефиксированной линии зрения высокой точности), разряд III (высокой
точности), подразряд зрительной работы В. В таблице 6.2 приведены нормы
проектирования естественного, совмещенного и искусственного освещения для
третьего разряда зрительной работы по [46].
8.1.2.1 Расчёт искусственного освещения
Произведем расчет искусственного освещения помещения на рабочем
месте инженера-конструктора, методом светового потока согласно [47].
Данный метод позволяет учесть как прямой световой поток, так и отраженный
от стен, пола и потолка.
Исходные данные, необходимые для расчета освещения методом
светового потока:

тип источника света – лампа накаливания;

высота подвеса светильника, Н: 2,5 м;

тип светильника: «Универсаль»;

число источников света: 6;

размеры помещения: 4м × 3м.
Световой поток F (лм) определится по следующей формуле
F = EКЗSZ / N,
(8.1)
где Е – нормированная освещенность (300 лк согласно нормам);
КЗ – коэффициент запаса, учитывающий старение ламп и
загрязнение светильников (определяется из таблицы 3 [47], для
помещения с малыми выделениями пыли КЗ = 1,3);
S – площадь помещения (м2);
Z – коэффициент минимальной освещённости (1,15 для ламп
накаливания);
N – число источников света;
 (%) – коэффициент использования светового потока, зависящий
от типа светильника, коэффициента отражения R от стен, потолка,
пола и от геометрических характеристик помещений, которые
определяют индекс помещения i
i
S
43

 0,686.
H (a  b) 2,5  (4  3)
(8.2)
В
соответствии
с
полученным
индексом
помещения
найдем
коэффициент использования светового потока  по таблице 5 [47]. При этом
необходимо учитывать коэффициенты отражения потолка (Rпт), стен (Rст) и
пола (Rпл), а также тип светильника. Коэффициенты отражения потолка (Rпт),
стен (Rст) и пола (Rпл) определим из таблицы 4 [47]. Они равны соответственно
0,5, 0,5 и 0,23. Согласно исходным данным, тип светильника – «Универсаль».
Используя перечисленные данные, определим:  = 28%.
Найдем световой поток F по формуле (8.1)
F = (3001,3121,15) / (60,28) = 3204 лм.
Мощность лампы (таблица 6), соответствующая полученному значению
составляет 200 Вт, световой поток 2950 лм [47]. Отклонение светового потока
данной лампы от расчетного значения составляет 8,6 %, что соответствует
допустимому отклонению от минус 10 до плюс 20 % [46].
8.1.2.2 Расчёт естественного освещения
Произведем расчет естественного освещения помещения согласно [43].
Предварительный расчет площади световых проёмов при боковом освещении
проводится по формуле
S 0  0,01
e н  S  K з  0  K ЗД
 0  r1
,
(8.3)
где eн – нормированное значение КЕО (1,2%);
0 – световая характеристика окон (в помещении применяются
двойные деревянные стеклопакеты, следовательно, по таблице 7
[47] 0 = 15);
КЗД – коэффициент, учитывающий значение противостоящего
здания (поблизости отсутствуют здания, следовательно, по таблице
8 [47] КЗД = 1);
τ0 – общий коэффициент светопропускания, определяется по
формуле
 0  1  2  3  4  5 ,
(8.4)
где τ1 – коэффициент светопропускания материала (стекло оконное
листовое – двойное, следовательно, по таблице 9 [47] τ1 = 0,8);
τ2 – коэффициент, учитывающий потери света в переплётах
светопроёма (деревянный спаренный переплёт, следовательно, по
таблице 9 [47] τ2 = 0,7);
τ3 – коэффициент, учитывающий потери света в несущих
конструкциях, определяется по таблице 10 [47], и равен 0,9;
τ4 – коэффициент, учитывающий потери света в солнцезащитных
устройствах (при отсутствии таких устройств равен 1);
τ5 – коэффициент, учитывающий потери света в защитной сетке под
фонарями (при отсутствии сетки равен 1).
Таким образом
 0  0,8  0,7  0,9  1  1  0,504 .
Коэффициент r1, учитывающий повышение КЕО, отраженного от
поверхностей помещения, в зависимости от ряда параметров и в том числе
средневзвешенного коэффициента отражения Rср, который рассчитывается по
формуле
Rср 
Rcт  Sст  Rпт  Sпт  Rпл  S
,
Sст  Sпт  S
( 8 .5 )
где Rст, Rпт, Rпл – коэффициенты отражения стен, потолка, пола;
Sст, Sпт, S – площади стен, потолка и пола.
Rср 
Определим
0,3  42  0,5  12  0,23  12
 0,324.
42  12  12
значение
коэффициента
r1
по
таблице
11
[47],
следовательно, r1 = 1,15.
Таким образом, площади световых проёмов при боковом освещении
равны
S 0  0,01 
1,2  12  1,3  15  1
 4,85 м 2 .
0,504  1,15
Действительная площадь окон составляет S = 1,2м × 2м × 2 шт = 4,8 м2.
Выразив из формулы (8.3) действительное значение КЕО, и подставив
соответствующие значения коэффициентов, получим
eн = 4,8·0,504·1,15 / (0,01·12·1,3·15·1) = 1,2 %.
Таким образом, действительное значение КЕО совмещенного бокового
освещения составляет 1,2 %, что соответствует нормам.
8.2 Безопасность в чрезвычайных ситуациях
Произведём расчёт устойчивости объекта от взрыва. Устойчивость
объектов – это их способность противостоять поражающим факторам ЧС,
сохраняя эксплуатационные функции. Под устойчивостью объектов экономики
понимают
их
способность
осуществлять
перевозки, функционирование
промышленных предприятий в условиях воздействия поражающих факторов
ЧС. В качестве объекта выберем вычислительный центр со следующими
элементами: здание административное, пульты управления, вентиляционная
установка, кабель наземный и вычислительная техника.
Исходные данные:

количество топливно-воздушной смеси, Q: 75 т;

расстояние от места взрыва до объекта, R: 350 м;

число людей на объекте, P: 150 чел.
Радиус зоны бризантного действия (детонационная), где скорость
распространения волны составляет несколько тысяч метров за секунду. В этой
зоне происходит дробление материалов. Радиус зоны определяется выражением
Rбр  17.5  3 Q  17.5  3 75  73,79 м.
Зона
действия
продуктов
взрыва,
осколков
(8.6)
конструкций
(зона
«огненного» шара). Радиус поражения в этой зоне
Rоск  1,7  Rбр  1,7  73,8  125,44 м.
(8.7)
Избыточное
давление
во
фронте
ударной
волны
обусловлено
расстоянием до объекта и зависит от коэффициента α
  0,24 
R
350
 0,24 
 1,1384.
Rбр
73,79
(8.8)
При α ≤ 2 избыточное давление (кПа) рассчитывается по формуле
Pизб 
700
3  ( 1  29,8    1)
3
,
(8.9)
а если α > 2, то
Pизб 
22
.
  lg   0,158
(8.10)
Так как α ≤ 2, то избыточное давление будет равно
Pизб 
700
3  ( 1  29,8 1,1384 3  1)
 40,898 кПа.
Запишем пределы устойчивости элементов и объекта (таблица 8.5).
Степень разрушения здания – сильная при избыточном давлении 40,898 кПа.
Согласно выражениям (8.8) – (8.10), рассчитаем избыточное давление
для разных значений R для определения радиусов поражения (см. таблицу 8.6)
и построим зависимость Pизб от R (рисунок 8.1). По графику определяем
расстояние от места взрыва, при котором избыточное давление будет
безопасным для человека (10 кПа) – 867,22 м и расстояние от места взрыва, при
котором избыточное давление приведёт к летальному исходу (100 кПа) – 214,45
м. Количество пострадавших людей с травмами средней тяжести при сильной
степени разрушения здания будет равно 15.
Таблица 8.5
Наименование объекта и
его элементов
Вычислительный центр
Здание административное
Пульты управления
Вентиляционная установка
Кабель наземный
Вычислительная техника
Предел устойчивости
элементов, кПа
Устойчивость
объекта, кПа
30
20
20
30
20
10
Таблица 8.6
Pизб, кПа
R, м
551,43
100
114,74
200
53,569
300
32,579
400
13,461
700
11,167
800
8,2623
1000
кПа
500
400
300
Pизб.
200
100
0
200
400
600
800
1000
м
R
Рисунок 8.1 – График зависимости избыточного давления от расстояния между
местом взрыва и объектом