5 Целевыявление
5.1 Формирование массива критериев и показателей решения проблемы
Оценить качество конструкции цифрового измерителя температуры можно с помощью следующих критериев:
-
функциональные
– время измерения tи;
абсолютная погрешность измерения ;
диапазон измерения температуры
;
напряжение питанияUпит;
разрешающая способность.
- технологические – коэффициент стандартизации, унификации и технологичности Kст, Kун, Kтехн; количество покупных узлов и элементов nп.
- экономические критерии – цена изделия Ц; энергопотребление Рпот; стоимость эксплуатации (замена элементов питания) ЦЭ; масса прибора m; габаритные показатели vlh; вероятность безотказной работы в течение срока службы P(tсл); средняя наработка на отказ Тср.
- антропогенные критерии – уровень электромагнитного поля не превышает нормативы по безопасности; безопасность; эстетичность; эргономичность.
5.2 Формирование дерева целей
На основании анализа названной группы критериев сформулируем конкретные цели участников проблемной ситуации (проектирование цифрового измерителя температуры согласно параметрам, указанным в техническом задании) в виде дерева целей. Цели для участников проекта сформируем в виде количественных и качественных показателей, указанных на рисунке 6.
Отметим, что для более объективного обоснования целей необходимо проводить анкетирование участников проблемной ситуации со статистической обработкой результатов.
Рисунок 6 – Дерево целей цифрового измерителя температуры для
Жилых и нежилых помещений
5.3 Составление технического задания на проектирование изделия Техническое задание приведено отдельным документом и составлено на основе пункта 5.2 Системного анализа.
6 Исследование проблемы проектирования и пути ее решения
6.1 Любой датчик может быть описан рядом характеристик, совокупность которых позволяет сравнивать датчики между собой и целенаправленно выбирать датчики, наиболее соответствующие конкретным задачам.
Основные характеристики датчиков:
1) функция преобразования (градуировочная характеристика) представляет собой функциональную зависимость ее выходной величины от измеряемой величины:
y = f(x) (1)
Зависимость представляется в именованных величинах: y – в единицах выходного сигнала или параметрах датчика, x – в единицах измеряемой величины. Для датчиков температуры – Ом/°С или мВ/К;
2) чувствительность – отношение приращения выходной величины датчика к приращению его входной величины:
S = dy/dx (2)
Для линейной части функции преобразования чувствительность датчика постоянна. Чувствительность датчика характеризует степень совершенства процесса преобразования в нем измеряемой величины;
3) порог чувствительности – минимальное изменение значения входной величины, которое можно уверенно обнаружить.
Порог чувствительности связан как с природой самой измеряемой величины, так и с совершенством процесса преобразования измеряемой величины в датчике;
4) предел преобразования – максимальное значение измеряемой величины, которое может быть измерено без необратимых изменений в датчике в результате рабочих воздействий. Верхний предел измерений датчика обычно меньше предела преобразования, по крайней мере, на 10%;
5) метрологические характеристики – определяются конструктивно- технологическими особенностями датчика, стабильностью свойств применяемых в нем материалов, особенностями процессов взаимодействия датчика с измеряемым объектом.
6) надежность – рассматривается в двух аспектах: механическая надежность и метрологическая надежность;
7) эксплуатационные характеристики – к их числу могут быть отнесены: масса, габаритные размеры, потребляемая мощность, прочность электрической изоляции, номиналы используемых электрических напряжений, а также стойкость к агрессивным средам, всевозможным излучениям, искробезопасность и т.д.;
8) стоимость и возможность серийного производства.
6.2 При выборе типа датчика температуры необходимо учитывать требования, предъявляемые к ним.
Измерение температуры можно производить с помощью любого устройства, параметры которого зависят от температуры. На практике, однако, используется очень небольшое количество датчиков. Это вызвано жесткими требованиями, которые определяют их годность и конкурентоспособность. Датчики должны обладать:
- высокой чувствительностью к температуре;
- идентичностью характеристик разных образцов;
- стабильностью термометрических параметров;
- малыми габаритами и инерционностью, высокой вибро- и ударостойкостью;
- низкой стоимостью и технологичностью изготовления.
В основе работы любых температурных датчиков, использующихся в системах автоматического управления, лежит принцип преобразования измеряемой температуры в электрическую величину. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений: электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью; электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.
Все датчики классифицируются на аналоговые и цифровые.
6.3 Цифровые датчики температуры предназначены для измерения и мониторинга температуры собственного корпуса и температуры удаленного объекта. Во втором случае измерение производится при помощи внешних термодатчиков (кремниевых диодов). Цифровые датчики объединяют на кристалле кремниевый термодатчик, АЦП (до 14 бит), регистры верхнего и нижнего значения собственной температуры и температуры удаленных датчиков, регистры конфигурации и гистерезиса, аналоговые компараторы, логику управления и реализации протоколов последовательной передачи данных (SPI, SMBus, I2C) и стабилизатор питания. Цифровые датчики температуры, обладают невысокой стоимостью, компактным исполнением и низким током потребления. Они позволяют просто и эффективно решить задачу отслеживания температуры важныхкомпонентов устройства (силовые ПП модули и транзисторы, процессоры, обмотки двигателей и т.д.) и при возникновении перегрева сформировать сигнал тревоги или прерывания.
6.4 Аналоговые полупроводниковые датчики температуры предназначены для линейного преобразования значения окружающей температуры или температуры какого-либо объекта в постоянное напряжение. Линейка этих приборов характеризуется большим разнообразием конструктивных исполнений, широким диапазоном рабочих температур, высокой точностью, малым током потребления и низкой стоимостью.