НУ «ЛП» , ІКТА,
ПР-41
ЗМІСТ
БКР ПР 405001.004 1
ВСТУП 1
1 АНАЛІЗ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ 4
2 ОГЛЯД І АНАЛІЗ АНАЛОГІВ ОБ'ЄКТА ПРОЕКТУВАННЯ 5
2.1 Волоконно-оптичний зондовий термометр 6
2.2 Optitherm® III інфрачервоний термометр Pyrometer Instrument Company 8
3 ПРОЕКТНО-КОНСТРУКТОРСЬКИЙ РОЗДІЛ 12
3.1 Коефіцієнт термочутливості аморфних матеріалів 12
3.2 Розрахунок коефіцієнта термочутливості ТЧЕ на основі стекол системи As-Se. 15
3.3 Розрахунок струму фотоприймача 17
3.4 Аналіз впливу нестабільності товщини на точність вимірювання температури 20
3.5 Структурна схема волоконно-оптичного термометра 23
3.6 Базові розрахунки по принциповій електричній схемі 24
3.6.1 Перетворювач струм-напруга 25
3.6.2 Диференціальний підсилювач 26
3.7 Обґрунтування вибору матеріалів для виготовлення основних вузлів приладу 28
3.7.1 Обґрунтування вибору матеріалів 28
3.7.2 Технічні властивості пластмас 29
3.7.3 Способи виготовлення деталей із пластмас: 31
3.7.4 Основні вимоги до конструкцій деталей із пластмас 36
5 ЕКОНОМІЧНИЙ РОЗДІЛ 38
5.3 ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКІВ ЕКОНОМІЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ПРОЕКТОВАНИХ РІШЕНЬ 42
5.3.1. Умови економічної ефективності 42
5.3.2. Визначення собівартості і ціни спроектованого пристрою 44
5.3.3. Визначення економічного ефекту в сфері експлуатації 47
ВИСНОВКИ 49
Перелік посилань 50
12. СНиП 11-4-79. Естественное и искусственное освещение. 51
БКР ПР 405001.004
ВСТУП
У зв'язку з бурхливим розвитком автоматизованих систем контролю і управління і переходом до гнучких автоматизованих виробництв стрімко росте потреба в надійних датчиках різних фізичних величин, зокрема, датчиків температури з широким діапазоном вимірювань. Окрім високих метрологічних характеристик, датчики повинні мати високу стабільність і надійність. Цим вимогам максимально відповідають волоконно-оптичні датчики температури, основним вузлом яких є термочутливий елемент, що визначає експлуатаційні характеристики датчика.
На даний час існують волоконно-оптичні термометри, в яких у якості термосенсора використовуються кристалічні або аморфні матеріли. Загальновідомо, що оптичні та електрофізичні параметри таких матеріалів змінюються при радіаційному опромінені. Це, в певній мірі, звужує області можливого практичного використання. У цьому плані більш доцільно використовувати аморфні матеріали – зокрема халькогенідні напівпровідникові стекла (ХСН), які є хімічно стійкими та практично нечутливими до радіаційного опромінення порівняно з кристалічними матеріалами. Іншою перевагою цих матеріалів є можливість зміни оптичних параметрів у широкому діапазоні, в межах області склоутворення, варіацією складу. Це дає можливість покращити узгодження елементів оптопари – серійних світло- та фотодіодів. Ці переваги є аргументом вибору нами в якості сенсора ХСН системи As-Se.
Волоконно-оптичний датчик температури (ВОДТ) – волоконно-оптичний вимірювальний пристрій для дистанційного багатоканального контролю температури, зокрема в зонах дії значних електромагнітних полів, олорл підвищеної вогне- та вибухонебезпечності, високого рівня радіації, хімічних агресивних середовищ середи [1].
Основні переваги волоконно-оптичного термометра:
1) багатоканальність;
2) дистанційний режим вимірювання;
3) малі геометричні параметри.
4) можливість спроможність вимірювання виміру температури в умовах дії значних електромагнітних полів, радіації, хімічних агресивних середовищ середи без втрати заданої точності;
5) можливість спроможність експлуатації в умовах підвищеної вогне і вибухонебезпеки без створення аварійних ситуацій.
1 Аналіз технічного завдання
Вихідні дані до дипломної роботи, зазначені в ТЗ, встановлюють наступні вимоги, які мають бути враховані при розробці об’єкта проектування:
Принцип роботи базується на зміні пропускання оптичної системи при зміні температури.
Волоконно-оптичний термометр призначений для дистанційного моніторингу температури в зонах підвищеного рівня електромагнітних полів та радіаційного впливу.
Умови експлуатації:
температура навколишнього середовища 293 К ± 10 К – (20°С ± 10°С);
атмосферний тиск від 96 до 104 кПа ( від 720 до 780 мм.рт.ст. );
відносна вологість повітря від 30 до 80 % при температурі 293 К;
в процесі градуювання не повинно бути вібрації, тряски та ударів;
електроживлення – мережа змінного струму напругою від 198 до 242 В, частота 50,0 ± 0,5 Гц;
габарити і маса – мінімальні.
Характеристики приладу:
діапазон вимірювання – температура в діапазоні 250–350К;
похибка вимірювання ± 0,5 К;
форма представлення результату – цифровий чотирьох розрядний індикатор.
Типи датчика: двопроменевий з термочутливим елементом на основі ХСН.
Активний елемент ВОД – пластинка скла системи As-Se.
Кількість чутливих елементів – 1.
Висока міцність оптичної частини приладу.
Час встановлення показів, Т0.9, с – ≤ 3с.
Джерело випромінювання – узгоджене з областю фундаментального поглинання матеріалу термо-чутливого елемента (світлодіод АЛ-135А).
Приймач випромінювання – узгоджене з областю фундаментального поглинання матеріалу термочутливого елемента та областю випромінювання світло діода (фотодіод ФД265А).
Відповідно умови експлуатації приладу відповідають стандартним лабораторним умовам. Тому додаткові заходи для усунення зміни кліматичних умов проводити недоцільно.
При вимірюваннях температури в зонах підвищених напруженостях електромагнітних полів та в зонах підвищеної радіації негативні впливи усуваються вибором матеріалу термочутливого елементата дистанційністю вимірювання.
2 Огляд і аналіз аналогів об'єкта проектування
Вимірювання параметрів фізичних полів з використанням волоконно-оптичних систем (ВОС) останнім часом набуває більш широкого розвитку. Це пов’язано з рядом переваг властивих для даного типу систем: зокрема це дистанційність та можливість роботи в екстремальних умовах.
Відносно нова область застосування це використання ВОС для вимірювання температури. Ця галузь, в принципі, знаходиться на початковій стадії тому інформація про ВОС вимірювання температури є обмеженою. Основним завданням розробки таких систем є пошук нових матералів, методів та конструктивних рішень, які дають змогу підвищити точність та надійність вимірювання. Зокрема це стосується забезпечення оптичного узгодження джерела – термочутливого елемента – приймача випромінювання. Вирішення цієї проблеми було одним із основних завдань дипломного проекту.
2.1 Волоконно-оптичний зондовий термометр
Волоконно-оптичний зондовий термометр (FOT) призначений для локального прецизійного виміру температури різних об'єктів в спеціальних умовах, що обмежують можливість вживання інших способів виміру: наявність сильних електромагнітних перешкод в зоні виміру або по шляху передачі сигналу від датчика (у робочому просторі індукційних і НВЧ- нагрівачів, в просторах, що важко-екрануються, під обшивкою і на поверхні літальних апаратів і тому подібне) ; - особливі вимоги до матеріалів датчика, малих габаритів сенсорного елементу, умов забезпечення стерильності і малої інвазивності (медичне вживання); - особливі вимоги до електроізоляційних властивостей, хімічної інертності і стійкості, пожежобезпечність (хімічні виробництва, зберігання ГСМ, вибухонебезпечні технологічні процеси) .
Принцип дії: Принцип дії приладу заснований на прецизійній реєстрації спектрального зсуву резонансної довжини хвилі волоконних брегговської гратки (ВБР), створених в серцевині волоконного світлопроводу (ВБР-датчик). Відповідна математична обробка цього спектрального зсуву, з врахуванням калібрування дає вичерпну інформацію про вимірювану температуру.
Основні переваги:
висока чутливість і швидкодія;
відносно великий діапазон вимірюваних температур;
найкращі массогабаритні показники, мініатюрність, мінімальний розмір чутливого елементу визначається діаметром світлопроводу 80 - 300 мкм (типове значення 125 мкм) і протяжністю ВБР 0.5 - 3 мм;
нечутливість до електромагнітних перешкод, таким як НВЧ- поле, іскровий розряд, магнітні поля, електромагнітні імпульси різної природи і будь-якої інтенсивності; абсолютна електробезпека, пов'язана з відсутністю електричних ланцюгів між датчиком і реєструючим модулем;
повна електро-, вариво-, пожежобезпечність, висока хімічна стійкість сенсорних елементів;
простота обслуговування.
Таблиця 2.1 Технічні характеристики волоконно-оптичного зондового термометра
Параметр |
FOT-22-100-01 |
Стандартный диапазон измеряемых температур, ºС |
0 ÷ 100 |
Точность измерения температуры, ºС |
0.1 |
Постоянная времени отклика ВБР-датчика, сек |
≤ 0.3 |
Время опроса оптической ветви, мкс |
~10 |
Принцип измерения |
Спектральный |
Тип световодов |
Одномодовый |
Спектральный диапазон источника света, мкм |
1.3 |
Минимальный размер зонда (диаметр х длина), мм |
0.08 х 0.5 |
Минимальная спектральная ширина ВБР-датчика, нм |
0.3 |
Потребляемая мощность, Вт |
< 10 |
Габариты (Д х Ш х В), мм |
200 х 300 х 90 |
Вес, кг |
< 2 |
Сфери застосування:
енергетика, у тому числі - атомна і термоядерна;
авіація і космонавтика;
наземний, водний і підводний транспорт;
металургія і хімічна промисловість;
нафтовидобування і газодобування;
трубопровідний транспорт; будівництво;
медицина;
системи безпеки;
наукові дослідження.
Рис.2.1 Волоконно-оптичний зондовий термометр [2]