ФЭА / АИТ / Курсовая работа по ПСУ "Сигнализатор СТМ-10"
(автор - student, добавлено - 14-05-2014, 21:12)
СКАЧАТЬ:
ВВЕДЕНИЕ Под объектом проектирования понимают любой объект, еще не существующий в действительности. Цель проекта проектирования состоит в том, чтобы на основе априорной информации и апостериорной информации разработать техническую документацию, требуемую для изготовления объекта проектирования. Проектирование – процесс создания прототипа – прообраза объекта, необходимого для изготовления этого объекта. Проектирование по существу представляет собой процесс управления с обратной связью, где сначала идет техническое задание, затем – выбор структуры параметров и технических средств, а критерий сравнения – результаты проектирования. Особенности проектирования сложных систем управления. При создании сложных технических систем временная регламентация работ обуславливает выделение этапов проектирования, а детализация представлений о системах и подсистемах с отображением их свойств с определенной степенью подробности обуславливает выделение уровней проектирования. Типовыми этапами проектирования являются следующие:
Уровни проектирования технических систем подразделяются на: алгоритмический, структурный, функционально-логический, схемотехнический, конструкторско-технологический. На каждом из этих уровней решаются следующие вопросы. На алгоритмическом: построение системы в целом, анализа алгоритмов управления и обмена информацией. На структурном: укрупненного анализа и выбора принципов организации и архитектуры системы распределения и рационального соотношения выбора программных и аппаратных средств, определения состава структурных блоков и программных модулей, способов их взаимодействия и реконфигурации, формирования частных технических заданий на их разработку. На функционально-логическом: детализация по реализации функций отдельных подсистем и структурных блоков, технической, алгоритмической и программной реализации каждого из блоков и всей системы в целом с удовлетворением требованиям технического задания. На схемотехническом и конструкторско-технологическом уровнях производится завершение разработки блоков и подсистем с оформлением принципиально-электрических, функциональных и других схем, конструкторско-технологических чертежей и прочей необходимой документации.
НАЗНАЧЕНИЕ ПРИБОРА Сигнализаторы СТМ-10 общетехнического применения предназначены для непрерывного контроля до взрывоопасных концентраций в воздухе помещений и открытых пространств горючих газов, паров и их смесей в условиях макроклиматических районов с умеренным или тропическим влажным воздухом. Сигнализаторы с модулем преобразователя резервного питания с цифровым устройством предназначены для контроля содержания горючих газов и паров нефти (метана, этана, пропана, бутана, гексана) в помещениях и открытых пространствах полупогруженных буровых установок (ПБУ), объектах речного и морского транспорта в условиях макроклиматических районов с умеренно-холодным морским климатом. Сигнализаторы являются автоматическими стационарными приборами, состоящих из блока сигнализации и питания и выносных датчиков или блоков датчика. Блок сигнализации и питания выполнен в обыкновенном исполнении по ГОСТ 12997-84 и должен быть установлен за пределами взрывоопасной зоны. Датчики и блоки датчика могут эксплуатироваться во взрывоопасных зонах помещений и наружных установок согласно «Правилам устройств электроустановок» (ПУЭ) и другим документам, регламентирующим применение электрооборудования во взрывоопасных условиях в которых возможно образование взрывоопасных смесей категории 2А, 2В, 2С, групп Т1-Т4 ГОСТ 12.1.011. Датчики и блоки датчика сигнализаторов должны устанавливаться в контролируемых точках.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ Проверочным компонентом в поверочной газовоздушной смеси (ПГС) для сигнализаторов является метан. Диапазон измерения сигнализаторов СТМ-10-0101Пц и СТМ-10-0201Дц по поверочному компоненту (гексану и нефрасу) 0-50 % по нижнему концентрационному пределу распространения пламени (НКПР). Диапазон сигнальных концентраций сигнализаторов совокупности компонентов (кроме сигнализаторов СТМ-10-0101Пц и СТМ-10-0201Дц) 5-50% НКПР при: 1) температуре и влажности окружающей и контролируемой среды; 2) изменении напряжения питания от 187 до 220 переменного тока; от 20,4 до 26,4 постоянного тока при наличии в сигнализаторах МПРП; и изменениях напряжения питания от 198 до 233,2 переменного тока, от 154 до 264 переменного тока (кратковременный режим в течение не более 1,5В) сигнализаторов исполнений, согласованных морским регистром судоходства; 3) изменении давления в линии сжатого воздуха от 0,25 до 0,6 МПа в сигнализаторах с принудительной подачей среды. Сигнальная концентрация для сигнализаторов СТМ-10-0101Пц и СТМ-10-0201Дц - 40% НКПР. Диапазон настройки порогов срабатывания сигнализации (порог «1» и порог «2») – 5-50 % НКПР. Номинальная функция преобразования измерительного преобразователя имеет вид: Uc = Кп *С (1) где Uc – выходной сигнал измерительного преобразователя. Кп – коэффициент пропорциональности, равный: по метану – 10; по гексану – 5,5; по метилакрилату – 5,0; С - концентрация измеряемого компонента в ПГС, % НКПР. Предел допускаемого значения основной абсолютной погрешности сигнализаторов по поверочному компоненту не более +- 5 % НКПР. Предел допускаемого значения основной абсолютной погрешности сигнализаторов СТМ-10-0101Пц, СТМ-10-0201Дц по поверочному компоненту не более 7 % НКПР. Предел допускаемого значения вариации выходного сигнала измерительного преобразователя не более 2,5 % НКПР. Предел допускаемого значения основной абсолютной погрешности сигнализаторов по гексану (неповерочный компонент) не более +- 10% НКПР. Предел допускаемого значения основной абсолютной погрешности сигнализаторов по метилакрилату (неповерочный компонент) не более +- 15% НКПР. Предел допускаемого значения основной абсолютной погрешности срабатывания порогового устройства сигнализаторов не более 1% НКПР. Предел допускаемого значения дополнительной абсолютной погрешности сигнализаторов от изменения температуры окружающей и контролируемой среды в диапазоне рабочих температур на каждые 10оС не более 1% НКПР. Предел допускаемого значения дополнительной абсолютной погрешности сигнализаторов от изменения влажности окружающей и контролируемой среды не более 4,5% НКПР. Предел допускаемого значения дополнительной абсолютной погрешности сигнализаторов от изменения расхода контролируемой смеси не более 1,5 % НКПР. Время срабатывания сигнализации, при концентрации поверочной смеси в 1,6 раза выше сигнальной, не более 10 с. Время прогрева сигнализаторов не более 10 мин. Дрейф выходного сигнала измерительного преобразователя за 168 h не более 2,5 % НКПР.
УСТРОЙСТВО И РАБОТА СИГНАЛИЗАТОРА И ЕГО СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ Принцип действия сигнализаторов – термохимический, основанный на измерении теплового эффекта от окисления горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика, дальнейшем преобразовании полученного сигнала в модуле МИП и выдачи сигнала о достижении сигнальной концентрации. Сигнализаторы состоят из датчиков или блоков датчика и блока сигнализации и питания, состоящего из МИП, МПОП и МПРП. Модуль преобразователя резервного питания (МПРП). В исполнениях сигнализаторов с резервным питанием предусмотрен с помощью МПОП автоматический переход на питание от источника постоянного тока напряжением 24 V при пропадании основного напряжения питания 220 V. Время переключения не более 1 мин. В случае работы от основного источника питания МПРП потребляет от источника питания напряжением 24 V ток, равный 15 мA. Напряжение 24 V подается через предохранитель F3 «5А» и переключатель «СЕТЬ 24 V» во включенном состоянии. Индикация о включении МПРП осуществляется индикатором единичным v25 «СЕТЬ 24 V». Возможно постоянное питание от сети постоянного тока напряжением 24 V только от МПРП (при отсутствии МПОП) всех сигнализаторов, кроме сигнализаторов с цифровым индикатором концентрации. В режиме контроля через штуцер «ВХОД» на лицевой стороне панели и кран трехходовой в положении «КОНТРОЛЬ» чистый воздух или поверочная смесь точно также подается на датчик и через ротаметр и эжектор на сброс. В сигнализаторе в качестве регистрирующего прибора используется потенциометр автоматический типа КСП2. Сигнализаторы являются стационарными приборами с конвекционной или принудительной подачей контролируемой среды с основным питанием (от МПОП) и количеством каналов 1, 3, 5, 7, 9. Сигнализаторы могут быть с цифровым отчетным устройством или без него. Сигнализаторы с конвекционной подачей среды состоят из блока сигнализации и питания и одного или нескольких датчиков в соответствии с количеством каналов. Сигнализаторы с принудительной подачей среды состоят из блока сигнализации и питания и одного или нескольких датчика в соответствии с количеством каналов. На передней панели МПРП установлены гнезда поз.5 для контроля и настройки МПРП: «Uc» - для измерения сигнала концентрации; «U» - для измерения некорректированного сигнала при замене датчика; «Ig» - для измерения напряжения (в милливольтах), пропорционального току датчика (в миллиамперах) и равного Uд = 11Iд; «Uc1» и «Uc2» - для измерения напряжений порогов соответственно «1» и «2»; «*» - общий контакт, относительно которого производятся все измерения. На переднюю панель выведены индикаторы единичные световой сигнализации «ОТКАЗ» и «КОНЦЕНТР.». Сигнализация «ОТКАЗ» осуществляется прерывистым свечением ее индикатора; сигнализация порога «1» и «2» («С1» и «С2»), корректирования нуля сигнализаторов («УСТ.0»), для калибровки сигнализаторов по поверочной смеси («КАЛИБР.»), для подстройки устройства коррекции после замены датчика «●». На переднюю панель выведены световой индикатор включения резервного питания «СЕТЬ» и переключатель «СЕТЬ 24 V» для неавтоматического выключения резервного питания.
ОПИСАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ Усилитель мощности с транзисторным входом Т1 и выходом Т2 выполнен на транзисторах V19 и V20 по двухтактной схеме. Эти транзисторы управляются напряжением с обмоток Т1 (1,2) включено в диагональ моста, образованного транзисторами V10, V11, V13, V14, V15, V17 (см.приложение 1). Транзисторы включаются с выходов микросхем D4.5, D3.2, D4.2 и D3.1, которые в свою очередь получают сигналы от генератора на D4.1, D4.3, D4.4 через триггеры D1.1, D1.2, D2.1 и D2.2. Включается МПРП сигналом «ТВКЛ», по которому включается оптрон V3 и начинает работать внутренний ИП на транзисторах V5, V7 и стабилитрон V8 (т.т. а и в). При этом импульсы с генератора поступают на D1.1, прямой выход которого управляет D3.1, а обратный - D3.2. Одновременно на эти все микросхемы поступают разрешающие сигналы с триггера D1.2 и с триггера D2.2: один при включении МПРП, второй защищает выходы +12В и -12В от короткого замыкания с помощью схемы на оптронах V9 и V12, транзисторах V18, V21, V32 и микросхемы (усилителя) D5. Напряжение с выходных обмоток трансформатора диодами V27, V28, V26, V29, V30 и V31. В первом случае выходное напряжение +6В, во втором случае два напряжения +12В и -12В. Выходные напряжения L1, C17; L2, L3,C18 и L4, C20.
ОПИСАНИЕ МИКРОСХЕМ К561ЛА9 Микросхемы представляют собой три трехвходовых элемента И-НЕ. Содержат 54 интегральных элемента. Микросхема имеет корпус типа 201.14-1, следовательно, подтип корпуса элемента 21. Зарубежным аналогом является микросхема CD4023AE. Габаритные размеры корпуса микросхемы К561ЛА9 приведены на рисунке 1.
Рис.1. Габаритные размеры корпуса типоразмера 2102.
Условное графическое обозначение К561ЛА9. Назначение выводов: 1, 2, 3, 4, 5, 8, 11, 12, 13 – входы Х1, Х2, Х4, Х5, Х6, ХЗ, Х7, Х8, Х9; 6, 9, 10 – выходы Y1, Y2, Y3; 7 – общий; 14 – напряжение питания.
К561ЛН2 Микросхемы представляют собой шесть логических элементов НЕ с буферным выходом. ИС не имеют защитных диодов, подключенных анодами к шине питания, что позволяет подавать на вход микросхем напряжение, превышающее напряжение питания. Поэтому они могут быть использованы для согласования выходных уровней КМОП с входами ТТЛ-схем. Содержат 19 интегральных элементов. Условное графическое обозначение К561ЛН2. Назначение выводов: 1 – вход Х1; 2 – выход Y’1; 3 - вход X2; 4 - выход Y’2; 5 – вход Х3; 6 – выход Y’3; 7 – общий; 8 – выход Y’4; 9 – вход Х4; 10 – выход Y’5; 11 – вход Х5; 12 – выход Y’6; 13 – вход Х6; 14 – напряжение питания.
Корпус типа 201.14-1, масса не более 1г и 4306.14-А., подтип корпуса элемента 43. Зарубежным аналогом является микросхема CD4049AE. Габаритные размеры корпуса микросхемы представлены на рис.1. К561ТМ2 Микросхемы представляют собой два D-триггера с динамическим управлением. Установка триггера по входам R и S принудительная, поэтому сигналы синхронизации С и информационного входа D не изменяют состояния триггера на выходе во время действия сигналов R и S. Содержат 128 интегральных элементов. Корпус типа 201.14-1, масса не более 1г, подтип корпуса элемента 21. Зарубежным аналогом является микросхема CD4013AE. Габаритные размеры корпуса микросхем приведены на рис.1
Условное графическое обозначение К561ТМ2
Назначение выводов: 1 – выход Q1; 2 – выход Q’1; 3 – вход С1; 4 – вход R1; 5 – вход D1; 6 – вход; 7 – общий; 8 – вход S2; 9 – вход D2; 10 – вход R2; 11 – вход С2; 12 – выход;
КР140УД1408А Микросхемы представляют собой прецизионный операционный усилитель с малыми входными токами и малой потребляемой мощностью. Содержит 49 интегральных элементов. Корпус типа 201.14-1, масса не более 1г, подтип корпуса элемента 21. Габаритные размеры приведены на рис.1. Зарубежным аналогом является микросхема LM308J.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА СИГНАЛИЗАТОРА СТМ-10 Смоделируем принципиальную электрическую схему на базе рассмотренных в теоретической части микросхем. Основной критерий синтеза электрических схем аппаратуры на интегральных микросхемах – минимизация числа микросхем и их внешних соединений. Другой критерий – функциональная однородность, т.е. максимальное использование элементов с одинаковыми функциями. Это обуславливает унификацию схемы, что в свою очередь, ведет к снижению ее стоимости. Для построения принципиальной электрической схемы воспользуемся пакетом прикладных программ Novarm DipTrace, приложением Schematic. Заменим отечественные микросхемы на их зарубежные аналоги, не нарушая функциональных связей. Программный пакет DipTrace представляет собой полнофункциональную систему для разработки принципиальных схем и печатных плат. Включает в себя четыре программы: 1. DipTrace – проектирование плат с удобной интерактивной и автоматической трассировкой. 2. Schematic – создание принципиальных схем с последующей возможностью перевода их в платы. 3. ComEdit – редактор корпусов для печатной платы. 4. SchemEdit – редактор компонентов. Рисование символов схемотехники и связка их с корпусами. Спроектированная принципиальная электрическая схема приведена в Приложении 1. Перечень элементов схем приведен в спецификации (Приложение 5).
ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА Большую часть элементов современных электронных устройств размещают на печатных платах, представляющих собой диэлектрическое основание с отверстиями и проводящим рисунком. Это не относится к крупногабаритным элементам (силовым трансформаторам, радиаторам мощных транзисторов, электронно-лучевым трубкам), а также к элементам, которые требуется устанавливать на передней панели аппаратуры (цифровые и сигнальные индикаторы, органы регулирования, электромеханические стрелочные приборы). Печатные платы выполняют обычно из фольгированного стеклотекстолита – пластика на основе стекловолоконной ткани, покрытого с одной или двух сторон медной фольгой. Толщина диэлектрика составляет 0,8–3 мм, а толщина фольги 0,02 – 0,1 мм. Рисунок печатной платы, определяющий конфигурацию проводникового и диэлектрического материалов и подготовленный конструктором, переносят на поверхность печатной платы методом фотолитографии. Для этого поверхность платы покрывают светочувствительным слоем (фоторезистом), который засвечивают через фотошаблон, полученный при фотографировании рисунка печатной платы. Затем фоторезист проявляют, его незасвеченные участки удаляют и фольгу, находящуюся под этими участками, стравливают специальным раствором. Засвеченные участки, соответствующие проводящему рисунку, защищены слоем фоторезиста и поэтому не стравливаются. Затем в печатной плате просверливают отверстия диаметром 0,6 – 1,5 мм для установки навесных элементов (интегральных схем, транзисторов, резисторов, конденсаторов) механического крепления печатной платы, а также электрического соединения элементов печатной платы, нанесенных на ее противоположных сторонах. Стенки отверстий металлизируют сначала химическим, а затем электрохимическим способом. Таким образом, получают проводящий рисунок с одной (односторонняя печатная плата) или двух (двусторонняя печатная плата) сторон. Гибкие выводы навесных элементов запаивают в монтажных отверстиях, к которым подходят печатные проводники, и получают печатный узел. Для уменьшения площади печатных плат применяют многослойные печатные платы (МПП), состоящие из чередующихся слоев диэлектрика с проводящими рисунками, между которыми выполнены требуемые соединения. Соединения между проводящими рисунками слоев МПП могут быть осуществлены через металлизированные отверстия. Распределение печатных проводников в слоях МПП позволяет значительно сократить размеры печатных плат, что особенно важно при использовании микросхем, содержащих множество выводов. В устройствах малой сложности и в аппаратуре, к которой не предъявляются очень высокие требования к плотности монтажа, применяют однослойные и двухслойные платы. В аппаратуре средней и большой сложности часто используют многослойные печатные платы. Однослойные и двухслойные платы состоят из основания, на которое с одной или двух сторон наносятся печатные проводники. Основания плат должны обладать достаточной механической прочностью, малыми диэлектрическими потерями, высокой нагревостойкостью и хорошей адгезией (сцепляемостью) материалов платы и печатных проводников. При изготовлении печатных плат широко используют стеклотекстолит, стеклоткань, гетинакс, фторопласт-4 и некоторые другие диэлектрики. Толщина плат 0,8-3 мм, а их типовые габаритные размеры 135X110; 135X246; 140X130; 140X150; 140X240; 150X200; 170X75; 170X110; 170X120; 170Х130; 170X150; 170X160; 170X200. Печатные проводники выполняют чаще всего из меди, алюминия, никеля или золота толщиной 20 – 70 мкм. При выборе сечения, конфигурации и расстояния между проводниками исходя из допустимой плотности тока (менее 20 А/мм2), рабочего напряжения, условий теплоотвода и прочности сцепления проводников с основанием. Ширина проводников печатных плат обычно составляет 1,5 – 2,5 мм, а расстояние между ними 0,3 – 1 мм. Для плат с повышенной плотностью монтажа ширину проводников и зазоры между ними уменьшают до 0,15 – 0,5 мм. Печатные платы с установленными на них элементами закрепляют с помощью крепежных отверстий на элементах конструкций электронной аппаратуры, к которым относят субблоки, блоки, каркасы, контейнеры, стойки, пульты. В современной электронной аппаратуре, построенной на базе микросхем, в качестве субблоков обычно применяют печатные узлы, которые вставляют по направляющим в блоки. Электрические соединения субблоков с блоками и блоков между собой осуществляют через контактные разъемы. Таким образом, из субблоков и блоков, как из отдельных «кирпичей», создают сложные приборы и устройства. Блочный принцип конструирования электронной аппаратуры облегчает поиск и устранение неисправностей, а также повышает технологичность аппаратуры. Для построения печатной платы прибора воспользуемся приложением PCB Layout. Приложение автоматически переводит спроектированную электрическую схему в печатную плату, проводит трассировку, оптимизацию и коррекцию печатной платы. Преобразованная двухслойная печатная плата приведена в Приложениях 2,3. Габаритные размеры платы 140Х240 мм. МОНТАЖНАЯ ПЛАТА На основе печатной платы спроектируем монтажную плату. На монтажной плате показано расположение элементов схемы без соединительных каналов в реальном масштабе. Размеры корпусов радиоэлементов взяты из справочников и соответствуют стандартам ЕСКД. Монтажная плата приведена в Приложении 4.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В процессе выполнения данной курсовой работы был изучен принцип действия и устройство сигнализатора СТМ-10. Сигнализаторы СТМ-10 общетехнического применения предназначены для непрерывного контроля до взрывоопасных концентраций в воздухе помещений и открытых пространств горючих газов, паров и их смесей в условиях макроклиматических районов с умеренным или тропическим влажным воздухом. Разработка устройств на микросхемах представляет собой процесс создания новых образцов, удовлетворяющих заданным требованиям. Этот процесс связан с решением схемотехнических, конструкторских, технологических задач. Особенность проектирования аппаратуры на микросхемах проявляется в большой сложности правильного выбора элементной базы и конструктивно-технических решений. Это связано с неоднозначностью выбора вариантов построения устройства из-за широкой номенклатуры микросхем, различных степеней их интеграции и технологии изготовления. При проектировании возрастает сложность выбора конструкции проектируемого устройства, главным образом в отношении объемно-массовых показателей, а также резко усиливается взаимосвязь этапов проектирования по разработке, схемотехнике, конструкции и технологии. Появляются новые возможности совершенствования характеристик аппаратуры, обусловленные возможностью использования больших количеств элементов, что приводит к структурной избыточности. Указанные особенности вызывают качественные изменения традиционных и появление новых этапов проектирования аппаратуры на микросхемах. В практике промышленного проектирования микроэлектронной аппаратуры сложилась определенная последовательность принятия решений, направленных на создание устройств с заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками при минимальной стоимости. Но не всегда возможно полностью заимствовать этот опыт, поскольку в распоряжении нет тех средств и методов, которыми располагают разработчики промышленной аппаратуры. Тем не менее, ознакомление с порядком и особенностями промышленного проектирования полезно, поскольку оно поможет определить рациональную последовательность собственных действий разработчиков при проектировании микроэлектронных устройств и узлов применительно к своим возможностям. С помощью пакета прикладных программ Novarm DipTrace была спроектирована принципиальная электрическая схема, печатная плата и монтажная плата для прибора Сигнализатор СТМ-10.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Схема электрическая принципиальная
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Печатная плата. Верхний слой.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Печатная плата. Нижний слой.
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Монтажная плата
Похожие статьи:
|
|