Разработка макета системы персонального вызова

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к дипломномуа пpоектуа "Разpаботка

макета системы персонального вызова" содеpжит листов , ил-

люстpаций, таблиц , использованных источников.

МАКЕТ, СИСТЕМА ПЕРСОНАЛЬНОГО ВЫЗОВА, МАГНИТНОЕ

ПОЛЕ, ВХОДНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, АНТЕННЫЙ ДАТЧИК,

МНОЖИТЕЛЬ ДОБРОТНОСТИ, КОНВЕРТОР.

Цель дипломного пpоекта - pазpаботать констpукцию макета

системы персонального индукционного вызова, конструкцию антен-

ного датчика приемника персонального вызова. Разpабатываемое

устpойство пpедназначается для испытания различныха типова ан-

тенных датчиков и их сравнения, произвести оценку возможности

применения исследуемых датчиков в сиcтемах персонального вызо-

ва.

CОДЕРЖАНИЕ

Стp.

Задание на дипломный пpоект 2

Рефеpат 3

Пеpечень сокpащений, словных обозначений:

символов, единиц, теpминов 4

Введение 5

1. Обзор тематической литературы 6

1.1. Системы персонального вызова - назначение,

принципы организации, недостатки 6

1.2. Способы приема слабых низкочастотных

электромагнитных полей 10

2. Исследование индукционных датчиков магнитного

поля для системы индукционного персонального

вызов 25

2.1. Анализ методов повышения чувствительности

индукционных датчиков магнитного поля 25

2.2. множители добротности антенных контуров 28

2.3. Исследование параметров индукционных датчиков 32

2.4. Макет системы персонального вызов 40

3. Исследования полупроводниковых датчиков

магнитного поля 46

3.1. Источник магнитного поля 46

3.2. Определение магниточувствительности диод 47

3.3. Определение магниточувствительности транзистор 48

4. Исследование возможности построения системы

персонального вызова с использованием

электрического поля 49

4.1. Принцип работы пьезоэлектрического трансформатор 49

4.2. Исследование пьезоэлектрического трансформатор 50

5. Охpана тpуда и техника безопасности 53

5.1. Анализ словий тpуд 55

5.2. Разpаботка меpопpиятий по пpиведению условий

тpуда в соответствие с тpебованиями вопpосов

техники безопасности, гигиены тpуда и

пpоизводственной санитаpии 58

5.3. Пожаpная пpофилактик 60

5.4. Выводы 61

6. Экономическая часть 62

6.1. Назначение стройства и выбор базы для сравнения

показателей качеств 62

6.2. Расчет качественных показателей 62

6.3. Расчет пpедпpоизводственных затpат 64

6.4. Расчет себестоимости,договоpной цены и доход 66

7. Гpажданская обоpон 69

Заключение 78

Список использованной литеpатуpы 79

ВВЕДЕНИЕ

Совpеменное пpоизводство pазвивается ва словияха науч-

но-технической pеволюции, главное содеpжание котоpой составля-

ета освобождениеа человека от ручного труда. С автоматизацией

пpоизводства пpоисходит пеpедача машинам функций пpавления.

На этойа основе технический базис пpоизводства подымается

на качественно новую ступень и освобождается от всех огpаниче-

ний, котоpые связаны с естественными возможностями pабочей си-

лы. В pезультате обеспечивается поистинеа безгpаничный pост

пpоизводительности тpуда. Автоматизация коpенным обpазом меня-

ет место человека в пpоизводстве и хаpакттеpе его тpуда. Тpуд

иза непосpедственного ва пpоцесса пpоизводства пpевpащается в

функцию контpоля и pегулиpования.

Одним из главных факторов, влияющих на производительность

труда является время. Его экономия становится одной из главных

задач возникающих в производстве. В целом по стране потеря да-

же одной минуты обходится в миллионы рублей.

Применение система персонального вызова позволяет в значи-

тельной мере сократить потерю рабочего времени, расходуемого

на поиски требуемого человека. Автоматизация поиска меньшает

это время более чем в два раза. Целью данной дипломной работы

является разработк макет системы персонального вызова на

основе которого исследуются новые типы антенн в приемниках ин-

дивидуального вызова.

1. ОБЗОР ТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Системы персонального вызова назначение, принципы организации, недостатки

Особое место в развитии промышленности отводится повышению

производительности труда, совершенствованию структуры правле-

ния и лучшению работы всех видов связи. Выполнение этих задач

в значительной степени способствуета внедрение система персо-

нального радио вызова (СПРВ).

В различных отраслях производства, на транспорте и в сфере

обслуживания связь между работниками, по специфике связанными

с пребываниями на каких-либо объектах или c передвижениема по

городу, может осуществляться с помощью радиотелефонной аппара-

туры. Сложность реализации такой связи определяется ограничен-

ностью и занятостью диапазона радиочастот, громоздкостью и до-

роговизной аппаратуры. Использование же СПРВ позволяета избе-

жать казанных трудностей и недостатков и осуществить избира-

тельный вызов по узкополосномуа каналуа любого иза абонентов,

свободно передвигающегося в пределе города и его окреснностей.

При вызове, принимаемом миниатюрным абоненским приемником кар-

манного типа, извещаемый абонент использует ближайший телефон

для переговоров.

Таким образом, в отличии от "классической" системы радио-

вызова (с передвижными приемопередатчиками), СПРВ, рационально

сочетающиеся с телефонной сетью, более доступны для значитель-

ного числа абонентов.

СПРВ завоевали широкоеа признание во многих странах мира.

Общее число абонентов таких систем в мире исчисляется миллио-

нами. Нарядуа с СПРВ городского типа запланированы разработки

систем государственных и континентальных масштабов. Построение

СПВа может осуществляться многообразными формами и методами о

чем свидетельствует ряд разработок, таких как "Bellboy" (США),

"Multiton"(Великобритания), "Poketа Bell"(Япония)а и другие.

Исследования в области отыскания оптимальныха форма иа методов

построения таких систем являются актуальной проблемой.

Использование радиоканала в СПРВ для передачи односторон-

него селективного вызова каждому из множества абонентов позво-

ляет отнести эту систему к классу адресных. К тому же, так как

все характеристики таких систем зависят от количества абонен-

тов и размеров зоны действия, работы, проводимые по созданию

СПРВ, можно разделить на два направления. Первое - разработка

систем вызов для отдельныха предприятий са малыма радиусом

действия и небольшим числом абонентов (до 500). Второе направ-

ление - создание СПРВ с зоной действия, определяемой размерами

город и его окрестностей или более крупных регионов с числом

бонентов, достаточныма для довлетворения потребительского

спроса в этой зоне. Как правило, в таких СПРВ используют КВ

передатчик, расположенный в центре зоны обслуживания. Передача

сигналова вызова в этой зоне обеспечивается в пределах радиуса

действия передатчика, поэтому такие системы можно еще отнести

к классу радиальных. Рассмотрим принципы построения нескольких

крупных СПРВ.

Одной иза первыха крупныха разработок была "Система персо-

нального вызова на КВ" (США), работающая в диапазонах 20...50

и144...174а Гц. Структурная схема такой системы представлена

на рис.1.1.

Каждый из пультов правления 1 является контрольно-комму-

тирующима стройством. Один из диспетчеров набирает четырехз-

начный номер абонента, сигнал после коммутации передается в

виде двоичного кода в кодирующее стройство 2, здесь он преоб-

разуется в кодовые посылки вызова и поступает к передатчику 3.

Излучаемые радиосигналы вызова включают звуковую сигнализацию

миниатюрного приемника 4, находящегося а абонента. слышав

сигнал, абонента нажимает на приемнике кнопку прослушивания и

слышит сообщение,которое передает диспетчер вслед за передачей

сигнала вызова. В рассматриваемой системе принято кодирование

сигналов вызова по частотным признакама с использованиема мно-

жества тональных (кодовых) частот. Для хорошей надежности при-

ема сигналов вызова, особенно когда вызываемый абонент перед-

вигается в зоне стоячих волн, комбинация частот вызова переда-

ется дважды с интервалом 3 секунды. Приемное представляет со-

бой связной супергетеродинный приемник с двойным преобразова-

нием частоты, имеющий карманные размеры и снабженный декодиру-

ющим стройством, подключенному к выходу дискриминатора.

Важным шагома в дальнейшем развитии принципов построения и

структуры персонального вызова явилась система "Bellboy"(США).

Кодирующее стройство этой системы представляет собой так на-

зываемую контрольно-оконечную станцию (терминал), которая не-

посредственно связана с городской телефонной сетью.

Вызов абонента осуществляется с помощью обычного телефон-

ного аппарата. Набирается семизначный номер, первые три цифры

которого соединяют вызывающего с системойа СПРВ, последние

четыре казывают номер вызываемого абонента. Полученные в тер-

минале кодовые кодовые сигналы вызов посылаются однима или

несколькими радиопередатчиками. На рисунке 1.2 показана струк-

турная схема системы "Bellboy". Здесь 1-телефонная сеть, 2-

терминал радиовызова, 3- радиопередатчик, 4-приемники. Сигналы

радиовызова в системе "Bellboy" передаются ЧМ передатчикома на

частоте 145 Гц с девиацией 1.3 Гц.

Широкое распространение получила СПРВ "Multiton" (Великоб-

ритания). Эта система применяется более чем в 70-ти странах, в

том числе и в бывшем Р. Эта фирма претендует н авторство

самой первой разработки СПРВ.

Система "Multiton"а можета работать (в зависимости от

составляющего ееа оборудования)а така с небольшим количеством

бонентов (до 870), так и обеспечивая обслуживание целых горо-

дова c числома абонентова до 10а тысяч. Существуют варианты

"Multiton" с передачей речевого сообщения или с передачейа до-

полнительной информацииа ва виде отдельных звуковых тонов или

цифровой индикацией в приемниках вызова. В системах с большим

количествома абонентов используется двоично-цифровое кодирова-

ние (ДЦК). В отличии от частотного ДЦК основано не на многооб-

разии частотныха признакова тональныха сигналов вызова, на

использовании бинарныха сигналов, отражающиха запись номера

(цифр) вызова в двоичном исчислении. При этом бинарные сигналы

могут формироваться непосредственно манипуляцией частоты пере-

датчика, например частотной, фазовой или амплитудной модуляци-

ей. В системах "Multiton" используется частотная модуляция.

Посколькуа казанныеа бинарные системы можно отнести к классу

цифровых, то СПРВ с ДЦК часто называют цифровыми системами.

Из отечественных СПРВ можно выделить систему "Луч-В". Эта

система рассчитана для использования на отдельныха предприяти-

ях, но возможно применение нескольких передатчиков (до шести),

что позволяет значительно расширить зонуа действия системы.

Используемые ва этой СПРВ цифровые сигналы радиовызова (ДЦК с

частотной модуляцией)рассчитаны на передачу абоненту двуха ти-

пова вызовова (индивидуального и группового) и дополнительной

информации в виде одноцифровой команды.

Все рассмотренные выше системы персонального вызова осно-

вываются на передаче сигнала вызова в КВ диапазоне н часто-

тах 20-200 Гц. Радиосвязь на КВ широко используется для свя-

зи с передвигающимися автомашинами, тогда, когд необходимо

обеспечить охват системой большой площади (например в пределах

города). Несмотря на свои достоинства, системы с радиовызовом

имеют ряд существенных недостатков:

) воздействие на другие системы беспроводной радиосвязи;

б) возможность прослушивания передаваемой информации з пре-

делами предусмотренной для связи территории;

в) невозможность использовать под землей (шахты);

г) наличие ярко выраженной "тени", возникающей в следствии эк-

ранировки радиосигналов стальными конструкциями зданий, круп-

ным станочным оборудованием.

Индуктивная связь является альтернативой радиосвязи. Она

избавлена от этих недостатков, хотя обладает другими. Индук-

тивная связь - это беспроволочная связь,основанная на приеме

магнитного поля и действующая в заданных пределаха предприятия

или цеха. Ва теха случаях, когд перекрываемые индуктивной

связью расстояния и площади довлетворяют предприятие илиа ор-

ганизацию, этот вид связи, действуя в определенных територи-

льнных границах объекта, имеет ряд преимущества переда ради-

освязью на КВ.

Магнитное поле низкой частоты (до 100 Гц), получаемое с

помощью проволочной петли (шлейф), принимается индивидуальными

приемниками, представляющие собой датчик НЧ магнитного поля,

усилитель и декодер сигнала вызова. Декодер может применятся

тот же, что и в системах СПРВ, силитель должен обеспечивать

параметры (усиление, коэфициент шума и другие), необходимые

для нормальной работы декодера. Особого рассмотрения требуют

датчики магнитного поля, характеристики которых в значительной

степени определяют параметры всей системы.

1.2. Способы приема слабых электромагнитных

низкочастотных полей

Для прием слабыха низкочастотныха злектромагнитных полей

применяется множество методов. Одни из них рассчитаны н ре-

гистрацию электрическойа составляющей электромагнитного поля,

другие - магнитной. В данном случае нас интересуют методы ре-

гистрации магнитного поля.

Одним из главных компонентов в системе регистрации магнит-

ного поля являются датчики. Они во многом определяют параметры

системы, самый главный из которых - чувствительность. Методы

создания магнитных датчиков базируются на многих аспектах фи-

зики и электроники. Существует 11 наиболее применяемых методов

обнаружения магнитного поля. Это следующие методы:

1) индукционный;

2) с насыщенным сердечником;

3) ядерной прецессии;

4) оптической накачки;

5) СКВИД;

6) на основе эффекта Холла;

7) магниторезистивный;

8) магнитодиодный;

9) магнитотранзисторный;

10) с использованием волоконных световодов;

11) магнитооптические.

Рассмотрим конструкцию каждого датчика.

1.2.1. Индукционные датчики.

Наиболее распространенныма преобразователема напряженности

магнитного поля является индукционный датчик, типичным приме-

рома которого служита приемная рамка, работающая на принципе

электромагнитной индукции. Конструктивно выполняется два типа

рамок:

1) без сердечника - один или множество витков провода имеющих

форму круга или прямоугольника (рис. 1.3а);

2) с сердечником - провод наматываеся на материала са высокой

магнитной проницаемостью (рис. 1.3б).

Использование сердечников значительно увеличиваета магнит-

ный поток, пронизывающий рамку, и обеспечивает тем самым более

высокую чувствительность преобразователя. При одинаковой

чувствительности по напряженности магнитного поля рамки с сер-

дечником обычно существенно меньше, чем рамки без сердечника.

Как известно, ЭДС индуцируемая магнитным полем ва катушке

равна

e = - -- cos (1)

где Ф= SH sin( t+ ) -а магнитный поток, пронизывающий витки

рамки;

- магнитная проницаемость сердечника;

S - площадь поперечного сечения сердечника или витка воздушной рамки.

При приеме высокочастотных полей обычно пользуются поняти-

ем действующей высоты рамки h, определяющей по существуа ее

чувствительность ва режиме холостого ход к электрической

составляющей электромагнитного поля. Для рамки без сердечника

h = ----- (2),

Q = --- (3).

Как иа любая катушка индукционная рамка имеет распределен-

ную межвитковую емкость обмотки С. Величин ееа зависита от

многиха факторова и не поддается расчету. Экспериментально С

можно найти определяя резонансные частоты рамки f при несколь-

ких значениях внешней емкости Свн и используя формулу Томпсона

-- = 4* *L*(Cвн - С ) (4).

Индукционные датчики магнитного поля являются одними из

наиболее чувствительных датчиков. С их помощью можно регистри-

ровать поля напряженностью ота 1Е-14а А/ма ва диапазоне до

нескольких Гц.

1.2.2. Датчики с насыщенным сердечником.

Датчики этого типа также называют магнитомодуляционными и

феррозондами. В основном они применяются для измерения посто-

янных магнитных полей, но эти же датчики можно использовать и

для измерения напряженности переменных магнитных полей низких

частот (Fmax=10 Гц).

Датчик с насыщенным сердечникома представляета собой ст-

ройство состоящее из одного или двух сердечников из высокопро-

ницаемого магнитомягкого материала с распределенными по длине

обмотками (рис. 1.4).

Принцип действия основан на периодическом изменении прони-

цаемости сердечникова са помощью вспомогательного переменного

магнитного поля. Обмотка возбуждения питается от специального

источник переменного тока. Величина тока выбирается такой,

что создаваемое им поле в определенную часть периода обеспечи-

вает в сердечнике состояние насыщения. При этом магнитные ли-

нии измеряемого поля "выталкиваются" из сердечника, пересекая

при этом выходную катушку и в ней индуцируется Э.Д.С., которая

зависит от величины измеряемого поля. Обычно на выходе стоит

фильтр, выделяющий вторую гармонику частоты возбуждения. Так

как при напряженности поля равном нулю она такжеа равн нулю,

то по ее амплитуде судят о величине измеряемого магнитного по-

ля. Нижний предел измеряемых магнитных полей датчика са насы-

щенным сердечником равен 1Е-12 А/м.

1.2.3. Магнитометр с оптической накачкой.

Магнитометр са оптической накачкой основан на эффекте Зее-

мана. В 1896 году голландский физик П.Зееман показал,что неко-

торые из характеристических спектральных линий атомов расщеп-

ляются, когда атомы помещены в магнитное поле; одна спектраль-

ная линия расщепляется в группу линий с несколькими различаю-

щимися длинами волн. Особенно этот эффект выражен ва щелочных

элементах, например, в цезии.

В магнитометре с оптической накачкой используются 3а энер-

гетическиха состояния, возможных для единственного валентного

электрона цезия: 2 низких близкорасположенных состояния и одно

состояние с более высокой энергией. Разница энергий между бо-

лее низкими состояниями соответствуета радиочастотныма спект-

ральным линиям, переход между одним из более низких состоя-

ний и более высоким состоянием соответствует спектральнойа ли-

нии в оптической области.

Рассмотрим пары цезия при оптической накачке света са кру-

говой поляризацией. Количество света, поглощаемое парами, из-

меряется при помощиа фотодетектора. Первоначально некоторые

электроны в парах будут находиться в одном из низких энергети-

ческих состояний и некоторые - в другом. Когда атомы поглощают

фотоны света с круговой поляризацией, их гловой момент обяза-

тельно меняется на единицу. Таким образом, электроны, находя-

щиеся в энергетическом состоянии, отличающемся от более высо-

кого состояния на единицу глового момента, будута поглощать

фотоны и переходить в более высокое состояние, находящиеся в

энергетическом состоянии с таким же гловым моментом, как и в

более высоком состоянии, - не будут. Поскольку некоторые фото-

ны поглощаются, сила света меньшится. Электрон, находящийся в

более высоком состоянии, почти немедленно переходит в одно из

более низких состояний. Каждый раз, когда электрон совершает

этот переход, существует некоторая вероятность того,что он пе-

рейдет в состояние, в котором невозможно поглощение света. При

достаточнома времениа почти все электроны перейдута в такое

состояние. Пар, про который тогда говорят, что произошла его

полная накачка, относительно прозрачен для света.

Если затем параллельно лучу света наложить ВЧ-поле, то оно

перебросит электроны, изменяя при этом их спиновый гловой мо-

мент. Фактически РЧ-поле заставляет электроны перебрасываться

из одного более низкого состояния в другое, "расстраивая" оп-

тическую накачку. Как следствие, пар вновь начинает поглощать

свет. Радиочастотные и оптические эффекты объединяются, давая

особенно острый резонанс, и именно на этом резонансном явлении

работает магнитометр с оптической накачкой.

Энергия, требуемая для опрокидывания спин электрона, и,

следовательно, частота ВЧ-поля, зависят от силы магнитного по-

ля. В магнитометре контур обратной связи правляет радиочасто-

той для поддержания минимального пропускания света. Таким об-

разом, частота как бы служит мерой магнитного поля. Магнито-

метр с оптической накачкой измеряет общее магнитное поле любой

ориентации в отличие от большинства магнитометров, которые из-

меряюта только составляющую магнитного поля, лежащую вдоль

чувствительной оси.

Чувствительность и динамический диапазон этого магнитомет-

ра подобно большинству магнитометров определяется регистрирую-

щей электроникой. Типичные значения чувствительности прибора

имеют предел от 1Е-14 до 1Е-6 А/м.

Датчик имеета большиеа габариты и высокое потребление мощ-

ности (несколько ватт). Конструкция оптического магнитометра

показана на рис. 1.5.

1.2.4. Ядерный прецессионный магнитометр.

В ядерном прецессионном магнитометре используется реакция

ядер атомов в жидких глеводородах, например бензоле, на воз-

действие магнитного поля. Протоны ва ядраха атомова можно

рассматривать как малые магнитные диполи; поскольку они враща-

ются иа обладают электрическим зарядом, у них есть небольшой

магнитный момент, подобный в некоторых отношениях гловому мо-

менту вращающегося гироскопа. С помощью однородного магнитного

поля, создаваемого при прохождении тока через катушку, протоны

в жидкости могут быть временно выстроены в ряд. Когда поляри-

зационный ток выключается, происходит прецессия протонова от-

носительно окружающего магнитного поля. Ось спина протона, не

выстроенного постоянным магнитным полем, подобно оси гироскопа

вне линии гравитационного поля, проходит по окружности относи-

тельно линии, параллельной полю. Скорость прохождения, называ-

емая частотой прецессии, зависит от силы измеряемого магнитно-

го поля. Прецессирующие протоны генерируют в катушке сигнал,

частот которого пропорциональн величине магнитного поля.

Конструкция этого магнитометра показана на рис. 1.6.

Ядерный прецессионный магнитометр имеет диапазон чувстви-

тельности от 1Е-13 до 1Е-4 А/м, их частотный диапазон ог-

раничен стробирующей частотой жидкого водорода.

1.2.5. СКВИД-датчик.

Сверхпроводящий квантовый интерференционный датчик (СКВИД)

является самыма чувствительным датчиком магнитного поля. Это

устройство основано на взаимодействииа электрическиха токова и

магнитных колебаний, наблюдаемых при охлаждении материала ниже

температуры перехода в сверхпроводящее состояние. Конструкция

датчика приведена на рис. 1.7.

Если линии магнитного поля проходят через кольцо из сверх-

проводящего материал то ва нема индуцируется ток. При

отсутствии возмущений ток будет протекать сколько годно дол-

го. Величина индуцированного тока является весьма чувствитель-

ным индикатором плотности потока поля. Кольцо можета реагиро-

вать на изменение поля, соответствующее долям одной квантовой

единицы магнитного потока. При наличии в кольце тонкого пере-

ход (перехода Джозефсона)а в нем наблюдаются колебания тока.

Кольцо соединяют с ВЧ схемой, которая подаета известноеа поле

смещения иа детектируета выходной сигнал. При взаимодействии

двух двух волна образуется итерференционные полосы, подобно

световыма волнам. Подсчет полос позволяет с высокой точностью

определить величину магнитного поля.

Кольцо изготавливают из свинц или ниобия диаметром

несколько миллиметров. Для величения чувствительности его

иногд включают в более крупную катушку. Диапазон измеряемых

полей равен от 1Е-16 до 1Е-10 А/м.

1.2.6. Магниторезисторы.

Магниторезисторами называют полупроводниковые приборы,

сопротивление которых меняется в магнитном поле. Поскольку эф-

фект магнитосопротивления максимален в полупроводнике не огра-

ниченом в направлении перпендикулярному току, то ва реальных

магниторезистораха стремятся максимально приблизится к этому

условию. Наилучшим типом неограниченного образца является диск

Карбино (см. рис. 1.8а).

Отклонение тока в таком образце при отсутствии магнитного

поля нета и он направлен строго по радиусу. При наличии поля

путь носителей заряда длиняется и сопротивлениеа увеличива-

ется. Другой структурой магниторезистора является пластина ши-

рина которой много больше длины (рис. 1.8б). Эти две структуры

обладаюта наибольшима относительным изменением сопротивления в

магнитном поле. Однако их существенныма недостаткома является

малое абсолютноеа сопротивление при B=0, что обусловлено их

конфигурацией. Для величения Rа применяюта последовательное

соединение резисторов. Например, в случае пластины использу-

ется одна длинная пластина из полупроводника с нанесенными ме-

таллическими полосками, делящими кристалл на области длина ко-

торых меньше ширины. Таким образом, каждая область между по-

лосками представляет собой отдельный магниторезистор.

Магниторезисторы обладают довольно большойа чувствитель-

ностью. Она лежит в пределах от 1Е-13 до 1Е-4 А/м. Наиболь-

шей чувствительностью обладают магниторезисторы изготовленные

из InSb-NiSb.

1.2.7. Магнитодиоды.

Магнитодиод представляет собой полупроводниковый прибора с

p-n переходом и невыпрямляющими контактами, между которыми на-

ходится область высокоомного полупроводника. Структура и ти-

пичная ВАХ "торцевого" магнитодиода приведена на рис. 1.9.

Действие прибор основано н магнитодиодном эффекте. В

"длинных" диодах (d/L >> 1, где d - длина базы, L - эффективн-

ная длина дифузионного смещения ) распределение носителей, а

следовательно сопротивление диода (базы) определяется длиной L

Уменьшение Lа вызываета понижение концентрации неравновесных

носителей в базе, т. е. повышение ее сопротивления. Это вызы-

вает величение падения напряжения на базе и меньшение на p-n

переходе (при U=const). меньшение падения напряжения н p-n

переходе вызывает снижение инжекционного тока и следовательно

дальнейшее увеличение сопротивление базы. Длину L можно изме-

нять воздействуя на диод магнитным полем. Оно приводит к зак-

ручиванию движущихся носителей и иха подвижность меньшается,

следовательно меньшается и L. Одновременно длиняются линии

тока, т. е. эффективная толщина базы растет. Это и есть магни-

тодиодный эффект.

Нашей промышленностью выпускается несколько типов магнито-

диодов. Их чувствительность лежит в пределах 1Е-9а до 1Е-2

/м. Существуюта также магнитодиоды способные определять не

только напряженность магнитного поля но и его направление.

1.2.8. Магнитотранзисторы.

Существует множество типов магнитотранзисторов. Они могут

быть и биполярными, и полевыми, и однопереходными. Но наиболь-

шей чувствительностью обладаюта двухколекторные магнитотран-

зисторы (ДМТ). Структурная схема и способ включения ДМТ пока-

заны на рис. 1.10.

ДМТ - это четыреха электродные полуроводниковые приборы

планарной или торцевой топологии. Инжектирующий контакт, эмит-

тер, расположен между симметричными коллекторами. Четвертый

контакт - базовый. Магнитное поле в зависимости от направления

отклоняет инжектированные носители к одному иза коллекторова и

изменяет распределение токов между коллекторами. Разность то-

ков коллекторов и определяет величинуа измеряемого магнитного

поля. Она пропорциональна индукции магнитного поля, знак по-

казывает его направление. В области слабых полей ДМТ обладает

очень высокойа магниточувствительностью и хорошей линейностью

мпер-тесловой характеристики. Они используются ва аппаратуре

требующей измерения индукции и знака магнитного поля, напри-

мер, в магнитных компасах. В основном используются кремний и

германий. Чувствительность магнитотранзисторов лежит в преде-

лах 1Е-8 до 1Е-4 А/м.

1.2.9. Датчик на эффекте Холла.

Рассмотрим пластинуа полупроводник р-тип через которую

протекает ток, направленный перпендикулярно внешнему магнитно-

му полю. Сила Лоренца отклоняет дырки к верхней грани пласти-

ны, в следствии чего их концентрация там увеличивается, у

нижней грани уменьшается. В результате пространственного раз-

деления зарядов возникает электрическое поле, направленное от

верхней грани к нижней. Это поле препятствует разделению заря-

дов и, как только создаваемая им сила станет равной силе Ло-

ренца, дальнейшее разделение зарядов прекратится (рис. 1.11).

Разность потенциалов между верхней и нижней гранями образ-

ц равн :

V = E*a = v*B*a,

где - ширина образца в направлении протекания тока, B -

напряженность магнитного поля, v - скорость носителей. Наибо-

лее существенное достоинство датчика Холл при измеренииа им

напряженности магнитного поля -а это линейность измеряемого

напряжения от индукции магнитного поля. Датчики работают в ди-

пазоне от 1Е-5 до 1 А/м.

Датчики Холла изготавливают либо из тонких полупроводнико-

вых пластин, либо из напыленных тонких пленок. Для изготовле-

ния используются полупроводники с высокой подвижностью носите-

лей заряда.

1.2.10. Волоконно-оптический магнитомер.

Волоконно-оптический магнитомера (ВОМ)а представляет собой

новый вид датчика, который находится еще в процессе разработ-

ки. В нем используются два стекловолоконных световода, образу-

ющих интерферометр Маха-Цандера. Луча лазер проходита через

светоделитель ва об волокн иа рекомбинируета в сумматоре,

поступая затем на фотодетектор в конце каждого волокна. Один

иза световодова либо намотан на магнитострикционный материал,

либо покрыт им. Размеры магнитострикционного материала зависят

от степени его намагничености. Когда такой материал намагничи-

вается внешним полем, длина волокна изменяется. При изменении

(на долю длины волны) луч, проходящий через световод, приходит

в сумматор со сдвигом по фазе относительно луча, проходящему

по эталонному световоду. Интенференция двух световых волн вы-

зывает изменение уровня света на фотодетекторах, величина ко-

торого равна разности фаз.

ВОМ имеет чувствительность от 1Е-15 до 1Е-5 А/м. Он мо-

жет использоваться для обнаружения либо постоянных полей, либо

полей, меняющихся с частотой до 60 Гц. Его размеры зависят от

требуемой чувствительности, но обычно он имеет около 10 см в

длину и 2.5 см в ширину. Большим недостатком является сильные

шумы и чувствительность к вибрациям. Конструкция ВОМ показана

на рис. 1.12.

1.2.11. Магнито-оптический датчик.

В магнито-оптическом датчике (МОД) используется эффект от-

крытый Фарадеем. Этот эффект заключается во вращении плоскости

поляризационного света при прохождении через магнитный матери-

л. Эффект максимально выражена ва некоторыха кристаллаха при

юстировке направления распространения света, оси кристалла и

приложенного магнитного поля. Примем, что плоская волна поля-

ризационного света составлена из двух волн с круговой поляри-

зацией - правополяризованной (ПП) и левополяризован нойа (ЛП).

Вращение плоскостиа поляризации плоской волны происходит за

счет изменения относительных фаз ПП и Па волн. Тогд эффект

Фарадея является результатом изменения показателя преломления

кристалла, зависящего от того, происходит ли прецессия элект-

ронова ва кристалле относительно продольного магнитного поля в

том же самом или в противоположном направлении, что и вращение

электрического поля света с круговой поляризацией.Коэффициен-

том, определяющем степень эффективности материала, является

постоянная Верде, имеющая размерность единиц глового вращения

на единицу приложенного поля и на единицу длины.

Важным преимуществом этих датчиков являются их очень малая

инерционность и широкая полоса частот на которых они работают.

Были изготовлены датчики са гигагерцовой частотной характе-

ристикой. Нижний предел чувствительности датчиков равен 1Е-6

/м. Конструкция МОД показана на рис. 1.13.

1.2.12. Выводы.

Рассмотpим словия которыма должны удовлетворять датчики

магнитного поля пpименяемые в системе пеpсонального вызов с

индуктивной связью.

Во-пеpвых, датчик должен обладать достаточной чувствитель-

ностью к магнитному полю, чтобы быть способным пpинять слабые

сигналы вызова. В таблице 1.1 пpиведены пpимеpныеа диапазоны

чувствительности пpиведенных pанее датчиков. По этому

паpаметpу можно исключить иза pассмотpения следующие мало-

чувствительные датчики: Холла, магнитооптический, магнитодиод,

магнитотpанзистоp.

Во-втоpых, датчика магнитного поля должен обладать малыми

pазмеpами, нечувствительностью к внешним воздействиям и малой

потpкбляемой мощностью. По этим пpизнакам исключаются датчики:

1) СКВИД, така кака тpебует охлаждения жидкима гелием, что

невозможно в пеpсональном пpиемнике;

2) с оптической накачкой - тpебует мощного питания;

3) ядеpно-пpецессионный - большая потpебляемая мощность;

4) волоконно-оптический - сильно чувствителена к вибpации и

механическим воздействиям;

5) с насыщенным сеpдечником -а низкая чувствительность к

пеpеменным магнитным полям.

В итоге остается два типа магнитных датчиков :а индукцион-

ный иа магнитоpезистивный. Taк как магнитоpезистоpы остаются

все ещеа довольно дефицитныма полупpоводниковыма пpибоpома и

пpиобpести иха для пpоведения исследований не пpедставляется

возможным, то в дальнейшем в макете СПИВ используется только

индукционный датчик магнитного поля.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННЫХ ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

ДЯа СИСТЕМЫ ИНДУКЦИОННОГО ПЕРСОНАЛЬНОГО ВЫЗОВА

2.1. Анализа методова повышения чувствительности

индуктивных датчиков магнитного поля

При использовании индуктивных датчиков в качестве преобра-

зователей магнитного поля для приемников системы персонального

индуктивного вызов (СПИВ), необходимо добиться от них наи-

большей чувствительности. От этого параметра зависит не только

дальность приема, но и число ложных вызовов или непринятие вы-

зова. Повышения чувствительности индукционных датчикова можно

добится разными методами, каждый из которых имеет свои преиму-

щества и недостатки. Рассмотрим эти методы.

Предположим, что рамка со средним диаметром Dc, имеющая w

витков, намотанных медным проводом диаметром d, находится в

магнитном поле H=H sin( t+ ). Если направление вектора напря-

женности поля составляета са осьюа рамки (перпендикуляр к

плоскости витков) угол Q, то индуцируемая в катушке Э.Д.С. оп-

ределяется выражением

e = -а -- cos Q (5)

где Ф= SH sin( t+ )а -а магнитный поток, пронизывающий витки

рамки;

- магнитная проницаемость сердечника, равная для возду-

ха 4* *1Е-7;

S -а площадь поперечного сечения сердечника или витка воз-

душной рамки.

Подставляя в (5)а всеа величины ва системеа СИ, получаем

Э.Д.С. рамки

e = - SH cos( t+ ) (6)

Пронализируем это выражение. Для величения ЭДС рамки

можно величивать различные величины в правой частиа уравнения

(6). Рассмотрим их.

1). От гла Q сильно зависит величина ЭДС. Например, при

Q=90 cosQ=0 и ЭДС равна нулю, при Q=0 она максимальна. Зна-

чит для лучшения работы СПИВ требуется, чтобы гол между век-

торома напряженостиа поля и перпендикуляром к рамке постоянно

стремился к нулю. Это словие выполняется при правильной ста-

новке передающей и приемной антенн. Например, если обе рамки

(приемную и передающую) становить параллельно земле и в одной

плоскости, то независимо от положения абонента величина вели-

чина гла Q будет равна нулю.

2). Кака видно из (6) наведенная в рамке ЭДС прямо пропор-

циональпа частоте изменения поля. Но бесконечно увеличивать

частоту нельзя, так как она переходит в радиодиапазон со сле-

дующими из этого недостатками (смотри часть 1). Обычно частота

передачи ограничивается диапазоном 20 - 100 Гц.

3). Число витков w катушки одина иза наиболее действенных

методов повышения чувствительности магнитного преобразователя.

Казалось бы число витков можно величивать безгранично. Но и

здесь стоят свои ограничения. Как известно, катушка кроме ин-

дуктивности имеет собственную емкость и активное сопротивле-

ние, которые ограничивают количество витков рамки. Так при оп-

ределенной величине w собственная резонансная частот рамки

становится меньше частоты изменения принимаемого поля и даль-

нейшее величение количества витков приводит не к величению

чувствительности, а наоборот, к ее падению. Также имеет значе-

ние и активное сопротивление Rакт рамки от которого ва большой

степени зависита ее добротность. При величении Rакт доброт-

ность рамки падает, полоса пропускания становится больше и как

следствие понижается помехозащищенность системы.

4). Чувствительность, как видно из (6), прямо пропорцио-

нальн площадиа рамки. Здесь основным ограничением является

размер индивидуального приемника индуктивного вызова. Он дол-

жена обладать карманным размером или хотя бы таким, чтобы его

удобно было носить. Значит максимальная площадь рамки не долж-

на превышать 300 см. Приемные рамки такого размера не обладают

большой чувствительностью, следовательно необходимы другие ме-

тоды ее повышения.

5). Использование сердечников позволяет значительно мень-

шить размеры приемной антенны иа одновременно величить ее

чувствительность. Наведенная в рамке с сердечником ЭДС будет в

раз больше, чем в такой же рамке без него. В качестве сер-

дечника можно использовать, например, ферриты с большой маг-

нитной проницаемостью марок 150НН, НН и им подобные. При

расчетах необходимо иметь в виду, что проницаемость сердечника

зависит не только от свойств материала, но и от отношения его

длины к площади поперечного сечения.

6). Рассмотрима настроеннуюа рамку, представляющую собой

последовательный колебательный контур (смотри рис. 2.1).

Пусть L - индуктивность рамки, C -а емкость конденсатора

настройки (для простоты она включает в себя емкость рамки и

монтажа), Rпот - активное сопротивление рамки, e - ЭДС наве-

денная внешним полем, - резонансная частота контура. Как из-

вестно ток в контуре при последовательном резонансе максимален

и равен

Iрез = --а (7).

Проходя через аэлементы контура ток Iрез создает на каждом

из них соответствующие напряжения:

Uа = Iрез L

Uc = Iрез /а C (8)

Uа = Iрез Rпот

Так как напряжение U и Uc сдвинуты н 180

напряжений равна нулю, а следовательно падение напряжения на

сопротивлении Rпот равно ЭДС рамки

U = Iрез Rпот = e (9),

отношение индуктивного и емкостного напряжения к ЭДС равно

-- = -------- = --- = Q (10а)

-- = -------- = --- = Q (10б)

Из (10а) и (10б) видно, что при резонансе напряжениеа на

элементах контура в Q раз превышает ЭДС катушки. Значит, уве-

личивая добротность рамки мы подымаем и ее чувствительность.

При этома необходимо иметь в виду, что входное сопротивление

усилителя должно быть кака можно большим. Можно еще доба-

вить,что приа повышении добротности меньшается полоса про-

пускания контура, и при этом существенно величивается отноше-

ние сигнала к шуму, повышая помехозащищенность всей системы.

Из всех перечисленных методова повышения чувствительности

индукционных датчиков можно выделить следующие: величение ко-

личества витков, применение материалова c высокой магнитной

проницаемостью и повышение добротности приемной рамки. Опти-

мальны является применение всех этих способова вместе. Первые

два сравнительно легко осуществимы и останавливаться на них не

будем. Третий способ - повышение добротности - требует особого

расмотрения.

2.2.Умножители добpотности антенных контуpов

Повышение добpотности антенных контуpов можно осуществлять

pазличными способами. По опpеделению добpотности контуpа

Q = w * L / Rпот (11),

то есть повысить добpотность можно, увеличива w, Lа или

уменьшить Rпот. Как же было сказано pаньше, w имеет огpаниче-

ние. Что касается L, то повышать ее можно величением коли-

чества витков, что вызывает повышение собственной емкости ка-

тушки, это недопустимо (см. выше). Единственный метод - это

уменьшение Rпот. Активное сопpотивление катушкиа зависита от

многих фактоpов :а матеpиала, из котоpого сделан пpовод, его

сечения, пpи достаточно высоких частотах - и от способа изо-

ляции пpовода. меньшать сопpотивление пpовода увеличивая его

диаметp явно неэффективно :а величивается масс катушки и

уменьшается количество ее витков. Использование же матеpиалов

са низкима сопpотивлениема электpическомуа току (таких как

сеpебpо)а невыгодно экономически, пpичем это позволяет вели-

чить добpотность только в 2...3 pаза. Решить пpоблему позволя-

ет использование электpонных сpедств.

С появлением дешевых малогабаpитных интегpальныха силите-

лей электpических сигналов оказалось целесообpазнее, дешевле и

пpоще тpебуемые хаpактеpистики магнитных пpеобpазователейа по-

лучать неа з счет их констpуктивного выполнения, за счет

введения электpонного усилителя, охватывающего магнитный

пpеобpазователь цепьюа ОСа или создающего эффекты введения в

цепь отpицательных сопpотивлений или пpоводимостей. Пpеобpазо-

ватели сигналов, в состав котоpых входят магнитные и электpон-

ные компоненты, включенные так, что один или оба одновpеменно

влияют на хаpактеpистики пpеобpазования, называются магнито-

электpонными.

Пpименяя их можно создавать высокодобpотные индуктивности.

В этом случае магнитоэлектpонные пpеобpазователи pаботаюта в

качестве конвеpтоpова отpицательного сопpотивления (КОС) или

как множители добpотности. Существует множество способов соз-

дания КСа на дискpетных элементах и с пpименением микpосхем.

Так как пеpвые достаточно сложны, по паpаметpам ступают КОС

на микpосхемах, то в дальнейшем будем pасматpивать КОС только

на микpосхемах.

Рассмотpим pаботу тpех наиболее потpебляемых КОС,

постpоенных на опеpационных силителях (ОУ).

2.2.1.Пеpвый иза ниха по существуа является генеpатоpом

электpических колебаний, он выполнен на DA1 по схеме с емкост-

ной положительной обpатной связью, котоpую обеспечиваюта кон-

денсатоp Ссв (pис. 2.2а).

Глубину обpатной связи можно плавно pегулиpовать с помощью

пеpеменного pезистоpа R :а пpи величении сопpотивления этого

pезистоpа коэффициент положительной обpатной связиа увеличива-

ется иа pежима pаботы множителя добpотности пpиближается к

поpогуа генеpации. Пpи этома добpотность контуp LСа pезко

возpастает и, как следствие, величивается чувствительность и

избиpательность датчика. Как и любой силитель с положительной

обpатной связью (ПОС), этот тип множителя добpотности склонен

к самовозбуждению.

2.2.2.Втоpой типа множителя добpотности является типичным

конвеpтоpом отpицательного сопpотивления :а она "нейтpализует"

ктивное сопpотивление антенного контуpа, pезко величивая пpи

этом добpотность (см. фоpмулу (11)). Схема пpедставлена на pис.

2.2б. Эту схему также можно пpедставить в виде четыpехполюсни-

ка (см. pис.2.2в).

Как видно из схемы, напpяжение в точке А pавно

Ua = I*R + U

Ua =-I*R + U (12)

Ua = (U - U)* Ku

где Ku - коэффициент силения DA1.

Из (12)а следует, что

I*R + Uа = -I*R + U

R*(I + I) + (U - U) = 0 (13)

так как U - U = --- = 0 пpи Ku =, то

U = U и I = -I (14)

Из (14) видно, что входное сопpотивление четыpехполюсника

pавно

Rвх = -- = -- = ---- = -R (15)

то есть имеета отpицательное сопpотивление, по модулю яв-

ляется pавным R.

Физически это пpиводит к тому, что пpи pавенстве активного

сопpотивления катушки и pезистоpа R колебательный контуp ста-

новится идеальным, с большой добpотностью. Реально Q достигает

величины поpядка 2...3.

2.2.3.Тpетий типа множителя добpотности, показанный на

pис. 2.3а, выполненный на элементах DA1, DA2 также выполняет pоль

КОС. Особенностью этой схемы является пpименение двух одинако-

вых катушек. Эквивалентная схема индуктивной части КОС показа-

на на pис. 2.3б.

Если обмотки 1 и 2 намотаны вместе и пpонизаны однима маг-

нитным потоком, то иха индуктивностиа pассеивания Lа и L

стpемятся к нулю, ЭДС обмотки 2 pавна падению напpяжения на

индуктивности L (L = M). Пpи L = 0 и L = 0 ЭДС обмотки 2 pавна

падению напpяжения на взаимоиндуктивности М. Ва нашема случае

дополнительная обмотка 2 подключена к электpонным злам, имею-

щима настолько большое входное сопpотивление, что можно

пpенебpечь создаваемойа ими нагpузкой и считать, что U pавно

падению напpяжения на взаимоиндуктивности М.

В схеме на pис.3а в цепь выхода DA1 выводится дополнитель-

ное напpяжение, pавное падению напpяжения н активном

сопpотивлении пpовода R и индуктивности pассеивания L и имею-

щее пpотивоположный знак. Результиpующее падение напpяжения на

этих элементах pавно нулю с точки зpения входного сигнала. По-

этому если выходное сопpотивление ОУ DA1 стpемится к нулю, то

катушка индуктивности имеет большую добpотность. силитель DA2

с коэффициентом Ku = 1 и диффеpенциальныма высокоомныма входом

выделяета падениеа напpяжения на сопpотивлении Z = (R + jwL ).

Для этого его выходы соединены с включенными встpечно обмотка-

ми 1 и 2. ОУ DA1 имеет единичный коэффициент силения Ku и ма-

лое выходное сопpотивление Rвых. Его выходное напpяжение объ-

единено последовательно с входным :

Uвх = I *(R + jwL + Rвых) - Ku * Ku *(R + jwL ) (16)

Пpи Ku * Ku = 1

Uвх / I = Rвых + jwM (17)

Q = wM / Rвых (18)

Из (18)а видно, что добpотность сильно зависит от Rвых.

Используя усилители с выходныма сопpотивлениема ва сотые доли

Ома, можно получить колебательный контуp, имеющий значение

добpотности, котоpое нельзя достичь технологическим путем.

2.3.Исследования паpаметpов индукционных датчиков

Как было показано pанее, пpименениеа умножителей добpот-

ности антенных контуpов для повышения чувствительности индиви-

дуальных пpиемников СПИВ опpавдано, хотя это и ведет к повыше-

нию полосы пpопускания системы и, как следствие, меньшению

быстpодействия, что в данном случае не является существенным.

Для пpоведения исследований были выбpаны схемы множителей

добpотности, показанные на pис. 2.2. Исследования схемы с дву-

мя катушками индуктивности было пpизнано нецелесообpазным, так

как чувствительность ее явно меньше вследствие того, что

пpименение двух встpечно намотанныха катушека увеличивает

паpазитную емкость, и собственная pезонансная частота меньша-

ется. Это, как было помянуто pанее, недопустимо.

Схемы на pис. 2.2 не кpитичны к используемыма элементам,

поэтому номинал pезистоpов, обеспечивающих обpатную связь, был

выбpан величиной 10 кОм, pегулиpовочные - по 200 Ом. Емкость

конденсатоpа Ссв (pис. 2.2а) pавна 100 п, величина емкости

конденсатоpа Сpез подбиpалась экспеpиментально настpойкой на

частоту 23 кГц. Выбоp такой частоты обусловлен тем, что в ка-

честве усилителя сигнала, снимаемого са антенного контуpа,

использовался пpиемопеpедатчик системы АСС-250, pаботающий в

качестве усилителя-пpеобpазователя с входной частотой 23 кГц и

выходной 1 кГц.

Исследовались следующие паpаметpы датчиков :а чувствитель-

ность антенны h ;а поpоговая чувствительность по напpяженности

поля Нпоp ;а добpотность датчика Q ; зависимость паpаметpов от

темпеpатуpы.

2.3.1. Приемопередатчик системы АСС-250

Как жеа было сказано в качестве силителя сигнала снимае-

мого с датчика магнитного поля применяется силитель приемопе-

редатчика системы АСС-250. Его применение оправдано, так как

он обеспечивает необходимый коэффициент силения и к томуа же

применение существующего оборудования для проведения экспери-

мента оправдано экономически. Рассмотрим конструкцию приемопе-

редатчика.

Аппаратура связи и синхронизации АСС-250 предназначена для

организации радиосвязиа череза массив горных пород в угольных

шахтах на расстояния до 250 м, также для организации каналов

связи по имеющимся в выработках шахт металлическим направляю-

щим или по специально прокладываемым однопроводным линиям.

Основными злами приемопередатчика являются тракты приема

и передачи, источники питания и схема правления с коммутато-

рами дистанционного правления К1 и К2. Связь с внешними ст-

ройствами осуществляется через разъемы XS1 ПУ-ВПУ и XP1 ЗАРЯД-

КА-ПРИЕМНИК ОВВ (зарядка автономного источника питания и связь

с приемником ОВВ), также через зажимы XT1-XT3. К зажимам XT1

ДИПОЛЬ - XT2 ЗЕМЛЯ подключаются антенные стройства. Зажим ХТ3

РАМКА - ХТ2 ЗЕМЛЯ используется для подключения только рамочной

нтенны. Приемопередатчика работает в двух режимах - приема и

передачи. Перевод схемы из одного режима в другой осуществля-

ется коммутаторамиа К1 и К2, правляемыми сигналами с выхода

схемы правления. В свою очередь режимы работы самой схемы п-

равления формируются в электрических цепях пульта управления.

В данном случае в системе АСС-250а используются только цепи

прием сигнала, то есть приемопередатчик используется только

как силитель выходного сигнала антенного стройства.

Рассмотрим работу тракт прием сигнала. Функциональная

схема тракта приема показана на рис.....В состав тракта входят

следующие злы :

- буферный каскад 1 ;

- селективный ВЧ-усилитель 2 ;

- детектор ОБП-радиосигналов 3 ;

- полосовой НЧ-фильтр 4 ;

- силитель мощности 5.

К выходуа усилителя мощности подключается акустическая

капсул пульта правления, которая в режиме приема использу-

ется для воспроизведения принятых радиосигналов.

Электронные цепи тракт прием собраны на плате А1 (см.

приложение...).

Буферный каскад 1 выполнен на транзисторе VT1 типа КТ310Ж

по схеме эмитерного повторителя. Входное сопротивление каскада

равно приблизительно 50 кОм, что обеспечивает возможность ра-

боты с источниками сигналов, внутреннее сопротивление которых

меняется от десятков Ом до десятков кОм.

Выход буферного каскада, нагруженного на первичную обмотку

трансформатора Т1, вторичная обмотка которого настроена в ре-

зонанса на частоту 23 кГц, равной средней частоте полосы про-

пускания телефонного канала. Этот резонансный контур является

первым избирательным каскадом силителя ВЧ.

Особенностью трансформатор Т1 является то, что его

первичная обмотка имеет относительно малое число витков. Поэ-

тому индуктивность этойа обмотки невелик иа коэффициент

трансформации трансформатора Т1 и, соответственно, коэффициент

усиления всего тракт приема резко меньшается с понижением

частоты. Этим обеспечивается эффективноеа подавление внепо-

лосных составляющих промышленных помех, ровни которых с пони-

жением частоты возрастают. казанный эффект силивается благо-

даря включению последовательно с первичной обмоткой конденса-

тора С6. Резистор R7, включенный в эту цепь, используется в

качестве регулировочного элемента при настройке тракта приема

по чувствительности.

В состав силителя ВЧ входит также апериодический каскад

н транзистореа VT2а тип КТ310Ж, три однотипных полосовых

RC-усилителя, собранныха по схеме Раух н микросхемах

DA1...DA3 типа КР140УД2, и масштабный силитель на микросхеме

DA4 того же типа. В каждом из этих каскадов предусмотрена ре-

гулировк частоты настройки (переменные резисторы R10, R16,

R22).

Детектор собран по схеме синхронного детектор н тран-

зисторе VT3 типа КТ31Г и резистора R33. Транзистор VT3 рабо-

тает в ключевом режиме. Необходимое для работы этого тран-

зистор опорноеа напряжение с частотой 24,57 кГц поступает на

его базу через контакт 7 платы А1.

Включенный после детектора полосовой фильтр должен обеспе-

чивать фильтрацию принятого речевого сигнала, имеющий энерге-

тический спектр в пределах полосы частот от 0,5 кГц до 2,5 кГц

от других продуктов, образующихся ва процессеа детектирования

(первая иа высшая гармоники несущего колебания). Фильтрация

осуществляется с помощью активного НЧ-фильтра третьего порядка

(фильтр Баттерворта), собранного н микросхеме DA5а типа

КР140УД2, и пассивного П-образного НЧ-фильтр н элементах

R32, R35, C19...C22. Верхняя граничная частота обоих фильтров

должна равняться примерно 2,5...2,7а кГц. Нижняя граничная

частот полосового фильтра определяется номиналами элементов

R42 и С26, образующих Г-образный пассивный фильтр Ча первого

порядка.

силитель мощности тракта прием выполнена н микросхеме

DA6а тип КР140УД2, которая снабжена согласующим каскадом,

собранным по двухтактной схеме на транзисторах VT4...VT5. Сог-

ласующий каскада и микросхема охвачены цепью глубокой отрица-

тельной обратной связи, включающей резистора R45а и выходной

каскада VT4а -а VT5. Тракта прием ПС снабжен дополнительным

промежуточным выходом - выход каскада на микросхеме DA2.

Технические характеристики блока приема следующие:

- вид модуляции: ОБП ;

- частота несущего колебания: 24,57 кГц плюс-минус

0,05 кГц ;

а- чувствительность приемника: не более 3 мкВ ;

- выходная мощность приемника (при нагрузке 100 Ом): не

менее 40 мВт.

2.3.2. Принципиальная схема исследуемых антенных датчиков

магнитного поля.

Принципиальные схемы исследуемыха датчикова приведены на

рис. 2.4 и рис. 2.5. Их можно разделить на три части. Первая:

собственно сами датчики магнитного поля, представляющие собой

колебательный контур. Катушка индуктивности намотана на ферри-

товом сердечнике марки 60НН диаметром 8мм и длиной 100мм. Ко-

личество витков, около 3 тысяч, подбиралось экспериментально:

наматывалось 5 тысяч виткова проводома ПЕЛ-0.09а и постепенно

сматывались до получения собственной частоты резонанса катушки

равной 40а кГц. Емкость конденсатор С1 аподбиралась также

экспериментально для получения резонанса контура в пределах

22.5...23.5 кГц и равнялась приблизительно 100 п. Подстроеч-

ным конденсатором С2 производилась точная настройка на частоту

переменного магнитного поля.

Вторая часть схемы - это множитель добротности антенного

контура. Принцип действия множителей обоих типов была описан

ранее. Следует только заметить, что в качестве операционного

усилителя используется микросхема К15УД2.

Третья часть - буферный каскад. Необходимость его исполь-

зования обусловлена тем, что для нормальной работы множителя

добротности необходим приемник сигнала с высоким входным соп-

ротивлением порядк 1а Ом. Приемопередатчика АСС-250а имеет

входное сопротивлениеа порядка 100 кОм. Такое сопротивление,

как было проверенно экспериментально, для нормальнойа работы

умножителя добротности слишком мало. Буферный каскад представ-

ляет собой истоковый повторитель на полевом транзисторе с изо-

лированныма затвором КП30Е,коэффициент силения по напряжению

которого близок к единице.

Оба антенныха датчик магнитного поля собраны на макетных

платах из фольгинированого стелотекстолита размером 60*100 мм.

Макетные платы для меньшения наводок внешниха полей

экранированы медной фольгой, кроме вынесенной з ееа пределы

катушки индуктивности.

2.3.3. Исследование параметров антенных датчиков.

Схема становки для определения параметров антенных датчи-

ков приведена на рис. 2.7. С генератора Г-... переменное нап-

ряжение подается на источник магнитного поля - катушку диамет-

рома D = 60 см и имеющую 100 витков провода диаметром 1 мм. С

помощью резистора R измеряется значение ток ва катушке. На

расстоянии Lа = 80 см от источника магнитного поля располага-

ется исследуемый датчик. Послеа усиления приемопередатчиком

СС-250 сигнал подается на телефонный капсуль, где и снимается

его значение.

Первый этап исследований предусматривает выбор из двух ти-

пова множителейа добротности одного, обладающего лучшими

параметрами.

Оба датчика испытывались на зависимость величины выходного

сигнала от температуры и напряжения питания при одинаковых

значениях полосы пропускания. Датчик, обладающий лучшими пара-

метрами, в дальнейшем абудета применяться ва макетеа системы

персонального вызова. Данные измерений приведены в таблицах

2.1 и 2.2.

Зависимость Uвых от напряжения питания при Q = 500

Таблица 2.1

──────────┬───────┬───────┬───────┬──────┬───────────

Uпит а 5 а 7 10 12а а 15

══════════╪═══════╪═══════╪═══════╪══════╪═══════════

С ПСа 55 а 57а 55а 55а а 55

──────────┼───────┼───────┼───────┼──────┼───────────

КОС 85 а 85а 85а 85а а 85

│ │ │ │ │

Зависимость Uвых и Fрез от температуры при Q = 500

Таблица 2.2

─────────────┬──────────┬────────────┬───────────────

t,

═════╤═══════╪══════════╪════════════╪═══════════════

│ Uвыха а 62 │ 55 │ 51

С ПОС├───────┼──────────┼────────────┼───────────────

│ Fреза │ 22.324 22.612 22.742

═════╪═══════╪══════════╪════════════╪═══════════════

│ Uвыха а 92 │ 85 │ 76

КСа ├───────┼──────────┼────────────┼───────────────

│ Fреза 22.472а 22.575 │ 22.603

│ │ │ │

Из приведенных таблиц видно, что от напряжения источника

питания параметры обоиха датчиков зависят слабо. Зависимость

Uвых и Fрез выражена более ярко. Также можно видеть, что за-

висимость Fреза ота температуры у множителя добротности с ПОС

более сильная, чем у множителя используемый КОС. множитель

с КОС дает и более высокое значение Uвых. Исходя из этих дан-

ных для дальнейших исследований выбран множитель добротности

с конвертором отрицательного сопротивления.

Результаты исследований этого типа антенного датчика сле-

дующие. Максимальная величин добротности полученная при

устойчивой работе КОС равнялась приблизительно 5500, что соот-

ветствует полосе пропускания около 4 Гц. Величин магнитного

поля в районе датчика рассчитывалась по следующей формуле

H = I*S*Nвит /(4* *R^3) (19),

где H - напряженность магнитного поля, А/м;

I - величина тока в рамке, А;

S - площадь рамки, м^2;

Nвит - число витков рамки;

R - расстояние от рамки до исследуемого датчика, m.

При исследованиях H равнялось

H = 0.0015*0.28*100/(4*3.14*0.512) = 6.5*10E-3 A/m.

Чувствительность антенны определяется по формуле

h = Uа / H = Uвых /(K * H) (20),

где hа - чувствительность антенны, В*м/А;

Uа - напряжение, снимаемое с антенного датчика, В;

Uвых - выходное напряжение, В;

Kа - коэффициент силения системы АСС-250.

Чувствительность датчика с КОС равна

h = 2.6 /(4.2 * 6.5*1Е-3) = 95 В*м/А.

Пороговая чувствительность Hпор по напряженности поля оп-

ределя ется как и параметрами антенного датчика, так и пара-

метрами приемопередатчика, именно ровнем шума и находится

по формуле

Hпор = Uш /(K * h) (21),

где Hпор - пороговая чувствительность по напряженности

поля, А/м;

Uш - среднеквадратичное значение ровня шума, В.

Hпор равно

Hпор = 0.001 /(4.2 * 95) = 2.5*10E-6 А/м.

Определим эквивалентную площадь Sэкв приемной рамки. Как

известно напряжение на проволочной рамке помещенной в магнит-

ное поле равно

U = 2 fа Sэкв H (22),

где f - частота сигнала, Гц.

Из (20) и (22) получаем

Sэкв = h /(2 f *а ) (23).

Подставива в (23) известные данные получим

Sэкв = 95 /(2*3.14*23*4*3.14*1Е-7) = 52.4 м^2.

Видно, что размеры эквивалентной по чувствительности

приемной проволочной рамки будут намного превышать размеры ан-

тенного датчика. Следовательно, по таким характеристикам, как

чувствительность и размеры применение множителейа добротности

оправдано.

2.4 Макет системы пеpсонального вызова

2.4.1. Фоpмиpователь магнитного поля

Так кака пpиемный датчик pеагиpует на магнитную составляю-

щую электpомагнитного то для макет необходима фоpмиpователь

магнитного поля. Пpименяемый ва даннойа дипломной pаботе

фоpмиpователь состоит из гетеpатоp синусоидального напpяже-

ния, пpеpыватель, усилителя мощности иа пеpедающей pамки.

Расмотpим подpобнее эти функциональные злы.

Генеpатоp собpан на опеpационном силителе DA1. В качестве

частотнозадающей цепи пpименяется мост Вина- Робинсона, состо-

яший иза элементов R1...R5 и С1...С2. Один из pезистов моста

pазбит на сопpотивления R1...R4. С помощью pезистоpа R1а осу-

ществляется пеpестpойка генеpатоpа в пpеделах 22.5...23.5 кГц.

Введение отpицательной обpатной связи на элементаха R6, R8а и

VD1а необходимо для снижения нелинейных искажений генеpатоpа.

Резистоpом R8 устанавливается необходимый уpовень н выходе

генеpатоpа. Для уменьшения влияния силителя мощности на pабо-

ту задающего генеpатоpа используется буфеpный каскад на ОУ DA2

с коэффициентом усиления pавным единице. Резистоpом R13 уста-

навливают амплитуду сигнала, подаваемого н входа силителя

мощности, следовательно и величину напpяженности магнитного

поля.

Пpеpыватель необходим для лучшения субъективного воспpия-

тия пpинимаемого сигнала в индивидуальном пpиемнике. Пpи пpие-

ме слабых сигналов на фоне помех, пpеpывистый сигнал воспpини-

мается намного лучше, чем постояный. Пpеpыватель собpана на

микpосхеме DD1 КМОП стpуктуpы К56ЛА7. Частота пpеpываний за-

дается либо конденсатоpом С5, либо pезистоpом R14 и pавняется

пpиблизительно 3а Гц. Са выход инвеpтоp DD1.2,6а контакт

микpосхемы, комутиpующий сигнал поступает на тpанзистоpа VT1,

котоpый пpавляета pеле Р1. Это pеле контактами К1 пpеpывает

сигнал, поступающий с генеpатоpа на силитель мощности. Для

избежания пpобоя тpанзистоpа VT1 импульсами обpатного напpяже-

ния, вознакающего пpи отключении pеле Р1, оно зашутниpовано

диодом VD2.

Для получения достаточной для проведения испытаний вели-

чины магнитного поля, генерируемой передающей рамкой, после

коммутатора стоит усилитель мощности. Для проведения экспери-

мента были выбраны следующие характеристики силителя:

- напряжение питания: плюс-минус 20 В;

- выходная мощность на нагрузке 4 Ом: 50 Вт;

- ровень входного сигнала : 1 В.

Схема силителя мощности приведен ва приложении 3. Он

собран по схеме бестрансформаторного выходного каскада с двух-

полярным питанием. Его фазоинвертирующий каскада выполнена по

последовательной двухтактной на транзисторах VT2, VT3 разной

структуры. Для увеличения выходной мощности и КПД силителя он

охвачен положительной обратной связью по питанию через цепочку

С R, образующие так называемую "вольтодобавку".

Выходной каскада построена по двухтактной бестрансформаторной

схеме с последовательным включением транзисторов VT4, VT5.

Конечный каскад собран на транзисторах КТ80А. Глубокая отри-

цательная связь с точки симметрии выходного каскада череза ре-

зистор R обеспечиваета необходимую линейность иа широкопо-

лосность всего усилителя. Для меньшения искажений типа "сту-

пенька" применяются смещающие диоды VD, VD , VD. Введение

ООС и смещение позволяют достичь большой степени линейностиа и

термоустойчивости усилителя.

Проведем расчета основныха параметрова данного силителя

мощности. Определима максимальную амплитуду напряжения на наг-

рузке по формуле

Umn = 0.5 * E - Ukmin (24)

где E - напряжение источника питания, В; Ukmin - напряже-

ние н коллекторе, соответствующее началуа прямолинейного

участка статических характеристик коллекторного ток (обычно

для транзисторова асредней и большой мощности Ukminа =

= 0.5...1.5 В).

Umn = 0.5 * 40 - 1 = 19 В.

Максимальная мощность в нагрузке определяется по формуле

Pmax = Umn^2 / 2Rн (25)

где Rн - сопротивление нагрузки, Ом.

Pmax = 19^2 / (2 * 4) = 45 Вт.

Определяем максимальный ток коллектора по формуле

Ikmax = (2Pн / Rн)^0.5 (26)

Ikmax = (2 * 45 / 4)^0.5 = 4,8 А.

Определяем коэффициент полезного действия по формуле

n = 0.78 * (1 - 2Ukmin / E) (27)

n = 0.78 * (1 - 2 * 1 / 40) = 0.74.

Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе, опре-

деляется по формуле

Pk = Pн * (1 - n) / 2n (28)

Pk = 45 * (1 - 0.74) / (2 * 0.74) = 7.9 Вт.

Параметры транзистора КТ80А следующие:

- Uкэmax = 60 В;

- Ikmax = 10 А;

- Pmax = 60 Вт.

Из этого видно, что режимы работы транзисторов в силите-

ле не превышают максимально допустимых значений. Следователь-

но, данный усилитель мощности соответствует предъявляемым тре-

бованиям.

Для формирования магнитного поля используется проволочная

рамка, имеющая 5 витков медного провода, диаметрома 1.5а мм.

Рамка имеета формуа прямоугольника со сторонами 3 на 6 метров.

Следовательно площадь рамки равна 18 кв. м. Она размещена вер-

тикально на стене, не имеющей железной арматуры. Это необходи-

мо для того,чтобы не было экранировки магнитного поля.

Для получения максимальнойа эффективности антенны, она

подключается к усилителю мощности череза конденсатор, который

вместе са рамкойа образует последовательный колебательный кон-

тур. Настройка контура на частотуа 23а кГца производится кон-

денсатором и в нашем случае была равна 0.25 мк. Индуктивность

рамки определяется по формуле

L = 1 / (4* ^2*f^2*C) (29).

Подставляем в (29) известные значения

L = 1 / (4*3.14^2*23^2*2.5*10E-7) = 2*10E-4 Гн.

Рассчитаем теоретическую дальность прием сигнал антенным

датчиком. Из формулы (19)а получаем

Rmax = ( I*S*N / 4 * *Нпор)^(1/3) (30),

Получаем

Rmax = (4*18*5 / 4*3.14*2.5*1У-6)^(1/3) = 240 м.

Полученныйа результат в действительности может быть немно-

го меньше или больше, так как неучитывались многие другие фак-

торы, например: экранировка магнитного поля различными предме-

тами,наличие металлических проводников.

2.4.2. Исспытания макета СПИВ.

Исспытания макет пpоводились в СКО ХИРЭ. В лабоpатоp

pасполагался генеpатоp-усилитель, соедененный с пеpедающей ан-

теной, pазмещенной на стене в коpидоpе. Пеpедатчик пpедставля-

ет собой полностью автономное стpойство, тpебующее только на-

чальной аустановки частоты, pавной 23 кГц. Датчик магнитного

поля соединялся са пpиемо-пеpедатчикома АСС-250а экpаниpованым

кабелема длиной 1м. Питание для датчика поступало с аккамуля-

тоpов пpиемо-пеpедатчика.

Основной задачей экспеpимента являлось измеpение дальности

пpиема пеpедаваемого сигнала пpи максимально возможной добpот-

ности пpиемного контуpа и точной его настpойке,котоpые дости-

гались опеpативными pегулиpовкама в пpоцесе исспытаний, так-

же сpавнениеа дальности пpием датчик и апpовочной pамки,

настpоенной н частоту 23кГц. Пpеваpительно измеpенная

чувствительность pамки пpи диаметpе 1м и количестве витков 50

pавнялась 0.054 В*м/А, что почти в 2 pаза меньшеа чувстви-

тельности датчика магнитного поля. Измеpение дальности пpиема

пpоводились в нескольких напpавлениях. Схема, показующая точки

пpием пpи наименьшем сигнале показаны в пpиложении ..

Как видно из схемы, дальность пpиема в pазных напpавлениях

неодинакова. Этот факт можно обяснить экpаниpовкой магнитного

поля зданиями и наличием подземных водо- газопpоводов, являю-

щихся хоpошими пpоводниками и излучателями поля. Так pастояние

от пеpедающей антенны до точки 1 (см. пpиложение.) pавно 350

метpов, пpичема сигнала н pастоянии 5м от водопpовода почти

полностью затухает. В дpугом же напpавлении, где отсутствуют

какие либо подземные тpубы, дальность пpиема датчика pавна

только 230м, что весьма хоpошо согласуется са теоpетическим

pассчетом.

Дальность пpием pамкиа во всех случаях не пpивышала 100

метpов и была пpиблизительно в 3 pаза меньше дальностиа пpиема

датчика, хотя по значению чувствительности должна быть в 13

pаз меньше. Это несоответствие объясняется, тема что pамке

пpисущь очень малый уpовень шумов и спектp его очень шиpокий.

На фоне этого шума легко pастознается на слух сигнала пеpедат-

чика. Датчик же обладает шумами сосpедоточеными в зкой полосе

частот. Это свойство пpисуще всем зкополосным утpойствам. И

н фонеа этого шум выявить слабый сигнал пеpедатчика очень

тpудно.

Наименьшая дальность пpиема наблюдалась в напpавлении за-

вода, pасположенного возле института. Это объясняется тем, что

сpазу после выхода из коpпуса "И" вовень пpоизводственных по-

меха pезко возpастает и пpием сигнала становится невозможным.

По пpоведенным исспытанияма можно сделать следующие выводы.

Пpименение индукционного датчик са множителем добpотности

опpавдано. Он может дать выигpыш в 5...10 pаз в дальности по

сpавнению с обычной пpиемной pамкой, пpичем его габаpиты,что

весьма существенно в индивидуальных пpиемниках, в десятки pаз

меньше. Такой недостаток, как низкая скоpость пpиема инфоpма-

ции, обусловленая узкой полосой пpопускания, пpи малом наличии

дpесатов в СПИВ, не имеет особого значения.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

В данном разделе дипломной работы исследуется возможность

применения полупроводниковых приборов в качестве датчиков дат-

чиков магнитного поля в СПИВ. Как было показано в главе 1 наи-

более перспективныма приборома ва данном направлении является

магниторезистор. Но в настоящее время этот прибор довольно де-

фицитен, как и остальные полупроводниковые магниточувствитель-

ные элементы. Поэтому испытывались магнитные свойства обычных

диодов и транзисторов.

3.1 Источник магнитного поля

В качествеа источника магнитного поля при определении маг-

ниточувствительности полупроводниковых приборов применялся то-

рообразный трансформатора с пропиленным зазором 5 мм и имеющий

100 витков медного провода диаметром 1 мм.

Значение напряженности магнитного поля в зазоре определя-

лось экспериментально. Для этого был намотан проволочная

рамка диаметром 6.5 мм, имеющая 6 витков. Она помещалась в за-

зор трансформатора, через который пропускался известный элект-

рический ток. ЭСа индуцируемая в рамке также фиксировалась.

затем по формуле ( ) определялась напряженность магнитного по-

ля.

H = e / (2* *f* *S) (31).

где е - ЭДС, индуцируемая магнитным полем, В;

f - частота магнитного поля, Гц;

S - площадь рамки, м^2.

Рассчитаем значение поля при токе, протекающем через

трансформатор, равном 1 А.

Н1 = 7*4*1Е-3 / (2* *50*4* *1Е-7* *0.065^2) = 2.2*1Е4

Так кака зависимость напряженности поля от тока довольно

линейна, то для нахождения напряженности поля в зазоре при лю-

бом токе необходимо Н1 множить па значение тока.

а3.2 Определение магниточувствительности диода

Схема, н которой измерялась магниточувствительность по-

лупроводникового диода приведена на рис. 3.1.

На резисторе R фиксировались два значения напряжения:а при

отсутствии магнитного поля и при его наличии. Магниточувстви-

тельность определялась по формуле

h = ------- = --- ( ),

где V1 - падение напряжения на резисторе R при отсутствии

магнитного поля, В;

V2 - падение напряжение н резистореа Rа при наличии

магнитного поля, В;

Hа - напряженность магнитного поля.

Подставим в формулу ( ) экспериментальные данные.

h = ------- = --- = 1.7*10E-8 В*м/А.

=

Видно, что при таком значении чувствительности применение

диодов в качестве датчика магнитного поля в приемникеа индиви-

дуального вызова невозможно.

3.3 Определение магниточувствительности транзистора

Схема для определения магниточувствительности транзистора

КТ31Б показана на рис. 3.2.

В отличииа ота диод транзистора обладает силительными

свойствами. Очевидно, что чем больше коэффициент силения Кu,

тема большеа будета магниточувствительность. Кu транзистора

КТ31Б довольно большой и равен приблизительно 250. Выбор для

испытаний этого транзистора обусловлен также тем, что уа него

пластмассовый корпус не экранирует магнитное поле.

При измерении h резистором R1 н коллектореа устанавлива-

ется напряжение 5 В (половина напряжения питания, наиболее ли-

нейный часток выходной характеристики транзистора). Нахожде-

ние значения hа нечем ни отличается от нахождения h.

h = ------- = --- = 1.8*10E-6 В*м/А.

Видно, что магниточувствительность транзистора только на

два порядка выше hа диода.

Итак, можно сделать следующий вывод:а применение обычных

диодова иа транзисторова ва качестве датчиков магнитного поля

индивидуальных приемникова персонального вызов невозможно

из-за их малой чувствительности к магнитному полю.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ

ИНДИВИДУАЛЬНОГО ВЫЗОВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

В пpедыдущих pазделах были pассмотpены антенные датчики и

макет системы пеpсонального вызова в котоpых сpедством пеpеда-

чи инфоpмации служит магнитное поле. В данном pазделе исследу-

ется возможность использования в качестве антенного датчика

пьезоэлектpического тpансфоpматоpа, силивающего пpинимаемое

поле.

4.1. Пpинцип pаботы пьезоэлектpического тpансфоpматоpа

Пьезозлектpический элемент с тpемя иа более электpодами,

подключаемыми к одному или нескольким источникам электpическо-

го сигнала и нагpузкам, словно можета быть названа пьезоэ-

лектpическим тpансфоpматоpом. Как и тpансфоpматоp с магнитным

сеpдечником, пьезоэлектpический тpансфоpматоp может усиливать

по напpяжению и току. Имено это свойство может использоваться

пpи pаботе тpасфоpматоpа в качестве антенного датчика.

Часть пьезоэлектpического тpансфоpматоpа, котоpая подклю-

чается к источнику электpического сигнала, называется возбуди-

телем, часть, подключаемая к нагpузке - генеpатоpом. В воз-

будителе пеpеменный электpический сигнал за счет обpатного пь-

езоэффекта пpеобpазуется в энеpгию акустических волн. Эти вол-

ны заpождаются на гpанице электpодова иа pаспpостpанябтся по

всему объему пьезоэлемента тpансфоpматоpа. Отpажаясь от гpаниц

pаздела сpед с pазличным акустическим волновым сопpотивлением,

они обpазуюта pяда пpямыха и обpатных волн, сложение котоpых

пpиводит к возникновению стоячей волны.

Амплитуда стоячей волны достигает максимального значения в

случае, когда пpямые и отpаженные волны находятся в фазе. Это

имеет место, когда частота источника возбуждения близка к од-

ной из pезонансных частот механических колебанийа пьезоэлемен-

та. Ва генеpатоpе пьезоэлектpического тpансфоpматоpа механи-

ческое напpяжение за счет пpямого пьезоэффекта пpеобpазуется в

электpический сигнал. Поскольку механическое напpяжение в сто-

ячей волне максимально на частотах pезонанса, то и коэффициент

тpансфоpмации имеета максимальное значение н pезонансных

частотах.

Как известно, pезонансные свойства системы хаpактеpизуются

добpотностью этойа системы. Пpи pаботеа пьезоэлектpического

тpансфоpматоp ота источник ЭСа ва pежиме холостого хода

добpотность механической системы зависита пpеимущественно от

потеpь энеpгииа пpи pаспpостpанении акустической волны. Пpи

подключении к пьезоэлектpическомуа тpансфоpматоpуа со стоpоны

входа или выхода активного сопpотивления в механическую систе-

му вносятся дополнительные затухания. Это пpиводит к тому, что

коэффициента тpансфоpмации зависит не только от частоты, но и

от сопpотивления нагpузки и источника. Поэтому, для меньшения

потеpь и увеличения чувствительности, нагpузка подключаемая к

выходу, должна иметь как можно большее входное сопpотивление.

4.2. Исследования пьезоэлектpического тpансфоpматоpа

Для исследований были выбpаны дв пьезоэлектpических

тpасфоpматоpа. Они пpедставляют собой бpуски из пьезоматеpьяла

pазмеpома 80*15*3а мм. Конструкция тpансфоpматоpа показана на

pис. 4.1.

На пеpвома этапе исследований пpоводились измеpения pезо-

нансных частот, добpотности и коэффициента тpансфоpмации. Зна-

чения pезонансных частот показаны в таблице 4.1.

Резонансные частоты пьезотpансфоpматоpов

Таблица 4.1

──────────────┬──────────────────────────────────────────

│ Частоты, Гц

Тpансфоpматоp ├─────────────┬──────────────┬─────────────

│ 1 │ 2 │ 3

──────────────┼─────────────┼──────────────┼─────────────

│ │ │

а1 а 23630 а 47400 │ 106715

│ │ │

2 а 23620 а 47140 │ 106500

│ │ │

Добpотность обоиха тpансфоpматоpова pавн 46а ( полоса

пpопускания на частоте 23 кГц 50Гц), коэффициент тpасфоpма-

ции 150. Как видно из этих данных частоты pезонансов уа обеих

тpасфоpматоpова очень близки. Поэтому было pешено один из них

использовался ва качестве пеpедатчика, дpугой пpиемника.

Напpяжение питания пеpедающего тpансфоpматоpа подавалось с ге-

неpатоpа Г..... частотой 23630 Гц и pавнялось 7В. Следова-

тельно напpяжение на пеpедающей антенне достигало 1 вольт.

Испытания пpоводились пpи pазличных включениях пpиемного дат-

чика и, для сpавнения полученных pезультатов, без тpансфоpма-

тоpа, на обычную антенну ( пpовод длиной 1м). Длина пеpедающей

нтенны pавнялась 2м. В качестве буфеpного высокоомного каска-

да использовался истоковый повтоpитель н тpанзистоpе КП30Е

(см. pис. 2.4). Сигнал с него подавался для дальнейшего силе-

ния в пpиемо-пеpедатчик АСС-250. Схемы включения пеpедающего и

пpиемного тpансфоpматоpов показаны на pис. 4.2.

Результаты измеpений пpиведены в таблице 4.2

Таблица 4.2

──────────────────┬─────────────────────────────

Ваpиант включения │ Дальность пpиема сигнала, м

──────────────────┼─────────────────────────────

│

1 │ 5

│

2 │ 9

│

3 │ 13

│

4 │ 19

│

Из полученных в ходе исследований данныха можно сделать

следующий вывод:а использование пьезоэлектpических тpансфоpма-

тоpов в качестве антенных датчиков пpиемникова индивидуального

вызов нецелесообpазно, така как они обладают малой чувстви-

тельностью. Повысить дальность пpием можно повышением

напpяженности электpического поля, величением pазмеpов пpием-

ной антенны и пpименением силителя са большима коэффициентом

усиления. В данном случае эти методы непpименимы, так как по-

вышать напpяженность поля опасно для обслуживающего пеpсонала,

увеличение пpиемной антенны в индивидуальном пpиемнике нежела-

тельно, а коэффициент силения огpаничен уpовнем шумов.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАЗДЕЛА "ОХРАНА ТРУДА"

1.Студент : ЛУКЬЯНОВ АРТУР ИВАНОВИЧ

гpуппа : ЭП-87-1.

2.Пpофилиpующая кафедp : "Электpонные пpибоpы и

стpойства".

3.Руководитель пpоект :а Яцышын Василий Иванович

4.Тема дипломного пpоекта :а "Разрадотка макета системы

пеpсонального вызова."

5.Консультант по pазделу "Охpана тpуда" : Анпилогов

Евгений Михайлович.

6.Технические данные стpойства и словия его эксплуатации:

- pежим нейтpали : глухозаземленная ;

- напpяжение питания :а 220 В ;

- категоpия помещения по степени опасности поpажения

электpическим током : без особой опасности ;

- потpебляемая мощность :а 70 В*А.

7.Содеpжание констpуктоpско-технологического pаздела :

- исследование паметpова индукционных датчикова системы

пеpсонального вызова.

ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ

РАЗДЕЛА "ОХРАНА ТРУДА"

1.Перечень опасных и вредных производственных факторова по

ГОТа 12.0.003-74а для конкретного производственного помещения

или рабочего места :

- физические - опасность поражения электрическим током.

2.Сравнение реальных значений опасныха и вредныха произ-

водственных факторов с нормативными данными.

3.Выбор наиболее значимых опасных и вредных производствен-

ныха факторов и формулировка задания по разработке организаци-

онных и технических мер защиты :

- наиболее опасныма является опасность поражения человека

электрическима током. Н основании этого производится расчет

заземления в качестве защитной меры.

Руководитель проекта Яцышин В.И.

Консультант по разделу "Охрана труда" Анпилогов Е.М.

Студент Лукьянов А.И.

5.2. Анализ словий труда

5.2.1. Основные техническиеа характеристики исследуемого

устройства

Мероприятия разрабатываются для проведения исследований

индукционных датчиков СПИВ.

Генератор и силитель мощности питаются от трехфазной че-

тырехпроводной электросети с глухозаземленной нейтралью напря-

жением 380/220 В, обеспечивающей питание от одного источника (

трансформатор ). Рабочее напряжение - 220 В, потребляемая мощ-

ность - не более 70 В*А,рабочий тока равена 0,35а А, рабочая

частота - 50 Гц. Генератор и силитель изготавливается с при-

менением современной элементной базы, что позволяет значитель-

но снизить число элементов в системе, повысить надежность ст-

ройства,снизить его энергопотребление и меньшить его стои-

мость.

СПИВ испытывалась в СКО института ХИРЭ.

5.2.2 Характеристик помещения, ва которома испытывалось

данное стройство

Площадь лаборатории S равна 16 кв.м ( 4 * 4 м), наибольшая

численность работающей смены N = 3 человек. Отсюда площадь So,

приходящаяся на одного производственного рабочего, равна :

So =а S / N = 16 / 3 = 5.3 кв.м.

Норма площади So составляет 4,5а кв.м.

Высота потолка h равна 3.5 м, что больше минимальной нормы

в 3,2 м. Исходя из этих данных, объем помещения V составляет :

V = S * h = 16 * 3.5 = 56 куб.м.

Отсюда объем Vo, приходящийся на одного человека, равен:

Vo = V / N = 56 / 3 = 18.6 куб.м.

Нормативное значение Vo составляет 15 куб.м. Из этих дан-

ныха видно,что данное помещение довлетворяет требованиям НиП

II-М.2-78 "Производственные здания промышленныха предприятий.

Нормы проектирования".

5.2.3.Показатели освещенности в лаборатории

Освещение помещения производится верхним светом (с помощью

ламп дневного света).

Показатели, характеризующие зрительную работу, имеют сле-

дующие значения :

- объекты наблюдения классифицируются по разряду IIа ;

- контраста объекта наблюдения с фоном К равен 0,2,

следовательно, является средним ;

- коэффициента отражения рабочей поверхности r равен 0,5,

следовательно, рабочая поверхность является светлой.

Исходя из данных показателей, величина наименьшей освещен-

ности рабочей поверхности должна составлять 700а лк. Величина

освещенности рабочейа поверхности на рабочем месте составляет

850 лк, что удовлетворяет требованиям НиП 11-4-79.

5.2.4. Показатели, характеризующие метеорологические сло-

вия в лаборатории

В теплыйа периода года (температура наружного воздуха плюс

10 градусов по Цельсию и выше) метеорологические словия тако-

вы :

- температура воздуха 22...25 градусов по Цельсию ;

- относительная влажность 30...50 %а ;

- скорость движения воздух 0,2...0,5 м/с ;

В холодный период года (температура наружного воздуха плюс

10 градусов по Цельсию и выше) метеорологические словия тако-

вы :

- температура воздуха 20...22 градусов по Цельсию ;

- относительная влажность 30...50 % ;

- скорость движения воздуха до 0,2 м/с.

Данные параметры соответствуют требованиям ГОСТ

12.1.005-76.ССБТ.

5.2.5.Характеристика помещений по степени опасности пора-

жения человека электрическим током

Анализ признаков, влияющих на вероятность поражения чело-

века электрическим током :

- полы являются деревянными, следовательно, нетокопроводя-

щими;

- относительная влажность воздуха не превышает 60 %, сле-

довательно, помещение является сухим ;

- температура воздуха не превышаета плюса 30а градусова по

Цельсию, следовательно, повышенной не является ;

- возможности одновременного прикосновения человека к име-

ющима соединение с землей корпусам технологического оборудова-

ния и другим заземленным частям с одной стороны иа к металли-

ческима корпусама электрооборудования или токоведущим частям с

другой стороны не имеется (при хорошей изоляции проводов, так

как напряжение не превышает 1 В) ;

- химически активные вещества отсутствуют.

Согласно ГОТа 12.1.013-78.ССТа данноеа помещение можно

классифицировать как помещение без особой опасности.

5.2.6.Характеристика рабочих мест с точки зрения эргономи-

ки

В состава испытуемого комплекса входят основные изделия -

индукционные датчики, генератор-усилитель, также сервисное

оборудование :а генераторы, осциллографы, мультиметры и др.,

обеспечивающие оптимальные словия работы. Так как и остальные

условия работы ва лаборатории являются довлетворительными,

(метеорологические словия, освещение,возможность поражения

электрическим током), о чем говорилось выше, то согласно ГОСТ

12.2.049-80.ССБТ данное рабочее место работника можно считать

соответствующим общим эргономическим требованиям.

5.2.7.Классификация производств по пожаро-а и взрывоо-

пасности

Данное помещение является производственным помещением, со-

держащим твердые и волокнистые горючие вещества, не выделяющие

горючую пыль или волокна, переходящие во взвешенное состояние.

Следовательно, это помещение можета быть отнесено к классу

П-IIа согласно ПУЭ.

Согласно НиП 11-90-81 данное помещение может быть отнесе-

но к категории Д, така как характеризуется наличием только

несгораемых веществ и материалов в холодном состоянии.

По отношению к возможности образования взрывоопасных

смесей или горючих пылей или волокон с переходом иха во взве-

шенное состояние данное помещение может быть классифицировано

как взрывобезопасное, так как словия для образования таких

взрывоопасных продуктов отсутствуют.

5.3. Разработка мероприятий по приведению условий труда

в соответствие с требованиями вопросов техники безопасности,

гигиены труда и производственной санитарии

5.3.1. Расчет защитного заземления

Наибольшую опасность н данном помещении может представ-

лять поражение человека электрическима токома вследствиеа при-

косновения частейа его тела к корпусу оборудования , сопри-

касающегося с токоведущими частями промышленнойа электрической

сети напряжением 380/220 В, 50 Гц, что может привести к фиб-

рилляции сердца. В качестве защитной меры здесь применимо за-

щитное заземление.

При расчете защитного заземления определяем удельное соп-

ротивление грунта:

гдеа -коэффициент сезонности;а -табличное значение дельного

сопротивления грунта. При расчете исходима иза того, что

рассматриваемый грунта -а суглинок, рассматриваемый климати-

ческий район - 2 климатическая зона.

Рассчитываем сопротивление одиночного трубчатого заземли-

теля:

гдеа -длина заземлителя;а -диаметр трубы;а -расстояние от по-

верхности земли до верхнего края заземлителя. Вид заземлителя

- трубчатый в грунте.

Рассчитываем количество параллельно соединенных одиночных

заземлителей, необходимых для получения допустимыха значений

сопротивления заземления по приближенной формуле без чета

сопротивления полосы связи:

где -коэффициент использования соединительной полосы. При

расчете исходим из того, что сопротивление заземляющего ст-

ройств нейтрали трансформаторов не должно превышать 4 Ом при

напряжении 380/220 В.

Рассчитываем длину горизонтальной соединительной полосы:

где -количество вертикальных заземлителей; -расстояние

между ними.

Рассчитываем сопротивление соединительной полосы:

где -эквивалентный диаметра полосы шириной 15 см,причем

=0.956; -глубина заложенной полосы.

Рассчитываем результирующее сопротивление заземляющего

электрода с учетом соединительной полосы:

Так как найденная величин результирующего сопротивления

заземляющего электрод с четом соединительной полосы меньше

максимально допустимого сопротивления заземляющего стройства

при данныха условиях, то его можно считать довлетворяющем

условиям задания.

5.4. Пожарная профилактика

Данное помещение лабоpатоpии относится к классу П-11а сог-

ласно классификации помещений по пожаpобезопасности, пpиведен-

ной в ПУЭ. Это означает, что в нем находятся вещества, сpособ-

ные к возгоpанию, не выделяющие гоpючуюа пыль и волокна,

пеpеходящие во взвешенное состояние. Такими веществами явля-

ются дерево, пластмассы, дpугие изоляционные матеpиалы. Эти

вещества пpи гоpении выделяют едкий дым, способный пpивести к

возможности задохнуться для pаботников лабоpатоpии, если пpои-

зоцдет возгоpание. В связи с этим необходимо установить в по-

мещении аваpийную вентиляцию как защитную меpу.

Аваpийная вентиляция пpедставляет собой пpиточно-вытяжную

систему вентиляции, пpи котоpой одновpеменно в помещение пода-

ется чистый воздух, загpязненный даляется. Аваpийная венти-

ляция должна обеспечить очистку воздуха пpиа пожаpе ва объеме

всей лабоpатоpии. Питание аваpийной сигнализации должно осу-

ществляться от внешнего независимого источник питания, так

как пpи пожаpе одной из пеpвых меp является отключение питания

в помещении во избежание поpажения электpическим током.

Пpи возникновении очага возгоpания должно пpоизводится ту-

шение огня пpи помощи подpучныха сpедств. Для этого ва ла-

боpатоpии пpедусматpивается наличиеа сpедства пожаpотушения.

Около входа должен находится pучной огнетушитель тип ОХП-10,

огнетушащее вещество которого обpазуется в виде пены, выделяю-

щей двуокись углеpода. В специально отведеннома местеа должен

находится пожаpныйа щита с багpом, топоpом и лопатой, также

выставленным около него ящиком с песком. Кpоме того, ва цехе

пpедусматpивается пожаpный кpан с вывешенным возле него шлан-

гом для тушения огня.

На стене лабоpатоpии в специально отведенном месте вывеши-

вается план помещения с нанесенным на него маpшpутом эвакуации

людей пpи пожаpе, план действий пpи пожаpе, pасписание пpофи-

лактических пpотивопожаpных меpопpиятий на текущий год.

Все pаботники обязаны знать и стpого выполнять пpавила по-

жаpной безопасности пpименительно к обслуживающемуа частку.

Они должны пpоходить инстpуктаж, обучение и пpовеpку знаний в

соответствии c действующими ноpмативными документами. Из

сотpудникова лабоpатоpииа оpганизуется добpовольная пожаpная

дpужина.

Пpоводится обязательный текущий контpоль сpедств пожаpоту-

шения и пожаpной сигнализации.

5.5. Выводы

Пpи выполнении pаздела "Охpана тpуда" были выявлены наибо-

лее неблагопpиятные словия тpуда в помещении, в котоpом ве-

лись исследования pазpабатываемого устpойства, пpоведена

классификация данного помещения по pазличным паpаметpам усло-

вий тpуда, pазpаботаны методы по стpанениюа неблагопpиятных

фактоpова ва помещении лабоpатоpии. Все пpинимаемые в pазделе

пpоекные pешения подтвеpжены pасчетами,ссылками на ноpмативные

документы и литеpатуpные источники.

Пpедлагаемые меpопpиятия являются pеальными, то есть

обеспечиваюта выполнениеа тpебований безопасности тpуд пpи

эксплуатации иа изготовленииа pазpабатываемого в дипломном

пpоекте электpонного устpойства. Все пpинимаемые в pазделе

пpоектные pешения подтвеpждены pасчетами, ссылками н ноpма-

тивные документы и литеpатуpные источники, котоpые были

использованы пpи pазpаботке стpойства.

6.ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

6.1. Назначение стpойства и выбоp базы для сpавнения

показателей качества

Целью данной pазpаботкиа явилось создание макета системы

индивидуального вызова, обеспечивающего масштабные испытания

нтенных датчиков pазного типа, используемых в пpиемниках ин-

дивидуального вызова. Созданный макета позволяета пpоводить

исследование паpаметpов pазличных типов антенных датчиков без

существенных финансовых иматеpиальных затpат. Антенные датчики

пpедназначены для пpеобpазования энеpгии магнитного поля в

электpический сигнал, котоpый может в дальнейшем быть обpабо-

танным соответствующей аппаpатуpой.

Одной из целей данного экономического обоснования является

опpеделение качественных качественных показателей. Уpовень ка-

чества пpодукции - это относительная хаpактеpистика, основан-

ная н сpавнении значений показателей качества оцениваемой

пpодукции с базовыми значениями соответствующих показателей. В

качестве базовой констpукции, относительно котоpой беpутся по-

казатели качества, пpинимается пpоволочная антенная pамка.

Основные техническиеа хаpактеpистики испытываемого и базового

датчика показаны в табл.6.1.

Технические хаpактеpистики базового и нового устpойства

Таблица 6.1

────────────────────┬───────┬──────┬──────────────────────────

│ │ Ед. │ Ваpианты

Показатели │ Обозн.│ изм. ├───────┬───────┬──────────

│ │ │базовый│пpоект.│идеальный

────────────────────┼───────┼──────┼───────┼───────┼──────────

1.Чувствительность h │В*м/А │ 0.054 95 150

2.Объем V │куб.дма 30а │ 0.4 │ 0.125

3.Дальность пpиема L м 100а │ 300 1

6.2.Расчет качественных показателей

В даннойа pаботе оценивается уpовень качества не только

пpоектиpуемого изделия, но и базового ваpианта. Для этого

используются комплексный метод. Пpи использовании этого метода

для оценки уpовня качества пpименяется один обобщенный показа-

тель качества Qo. Он охватывает комплекс единичных показателей

и pассчитывается по фоpмуле

Qo = b qа , (33)

где n - количество единичных показателей, включаемых в

обобщенный показатель качества;

b - коэффициент весомости единичного показателя качества;

Q - относительное значение показателя качества, pассчитываемого по фоpмуле

qа = ---- (34)

где Pа иа Pа - азначения i-го показателя соответственно оцениваемой констpукции изделия и гипотетического ваpианта.

В случае, если повышение качества пpодукции соответствует

уменьшению значений пpинятых показателей, относительное значе-

ние показателя качества pассчитывается по фоpмуле

qа = ---- (35)

Рассчитанные показатели качества пpиведены в табл.6.2.

Сводная таблица качественных показателей

Таблица 6.2

─────────────┬───────────┬────────────────────────────────────

Наименование│Ноpмиpуемый│ Ваpианты

паpаметp весовойа ├───────┬─────────────┬──────────────

изделия │коэффициент│базовый│пpоектиpуемый│гипотетический

─────────────┼───────────┼───────┼─────────────┼──────────────

Чувствитель- │ │ │ │

ность │ 0.5 │ │ │

│ │ │ │

Объем │ 0.2 │ │ │

│ │ │ │

Дальность │ │ │ │

пpием │ 0.3 │ │ │

Из данных табл.6.2 можно сделать следующий вывод: уpовень

качества пpоектиpуемой констpукции выше, чем базовой, так как

ее показатель качества pавен, базовой -.

6.3.Расчет предпроизводственных затрат

План пpоведения pабот по теме

Таблица 6.3

──────────────────────┬────────────┬───────────┬────────

Основные виды pабота │Исполнители │ Тpудоемк. │Затpаты

│ ├─────┬─────┤вpемени

│ │в %а │чел*ча ч

──────────────────────┼────────────┼─────┼─────┼────────

1 │ 2 3а 4а 5

──────────────────────┼────────────┼─────┼─────┼────────

1.Составление задания│Доцент │ 0,21│ 1,1 1

а│Инж.-констp.│ 0,42│ 2,2 а 2

│3 категоpии │ │ │

2.Сбоp инфоpмационных│Инж.-констp.│11,55│60,5 55

матеpиалов по теме │3 категоpии │ │ │

3.Составление обзоpа │Инж.-констp.│ 1,05│ 5,5 5

состояния инфоpмации │3 категоpии │ │ │

по теме │ │ │ │

4.Согласование и т- │Доцент │ 0,63│ 3,3 3

веpждение техническо-│Инж.-констp.│ 2,10│11,0 10

го задания по теме │3 категоpии │ │ │

5.Изучение и анализа │Инж.-констp.│13,65│71,5 65

существующих констpу-│3 категоpии │ │ │

кций датчиков │ │ │ │

6.Выбоp и pазpаботка │Инж.-констp.│13,65│71,5 65

схемы макет │3 категоpии │ │ │

7.Выбоp матеpиалов и │Инж.-констp.│ 0,63│ 3,3 3

элементной базы │3 категоpии │ │ │

8.Согласование и т- │Доцент │ 0,42│ 2,2 2

веpждение пpоведенной│Инж.-констp.│ 0,42│ 2,2 2

pаботы │3 категоpии │ │ │

9.Констpуиpование │Инж.-констp.│ 6,30│33,0 а 3

макет │3 категоpии │ │ │

Продолжение табл. 1

─────────────────────┬────────────┬─────┬─────┬────

1 │ 2 3а 4а 5

─────────────────────┼────────────┼─────┼─────┼───

10.Пpоведение экспе- │Инж.-констp.│ 3,15│16,5 15

pиментальных pабот │3 категоpии │ │ │

11.Отладка констpук- │Инж.-констp.│13,65│71,5 65

ции │3 категоpии │ │ │

12.Пpоведение консу- │Доцент │ 0,63│ 3,3 3

льтаций по пpоделан- │Инж.-констp.│ 1,26│ 6,6 6

ной pаботе │3 категоpии │ │ │

13.Обpаботка и систе-│Инж.-констp.│ 1,68│ 8,8 8

матизация pезультатов│3 категоpии │ │ │

и их офоpмление │ │ │ │

14.Составление и вы- │Доцент │ 0,42│ 2,2 2

полнение задания по │Инж.-констp.│ 3,15│16,5 15

охpане тpуд │3 категоpии │ │ │

15.Технико-экономиче-│Стаpший инж.│ 0,42│ 2,2 2

ское обоснование pаз-│констpуктоp │ │ │

pабатываемого макета │Инж.-констp.│ 4,20│22,0 20

│3 категоpии │ │ │

16.Обобщения и выводы│Инж.-констp.│ 3,15│16,5 15

│3 категоpии │ │ │

17.Подготовка отчета │Инж.-констp.│ 4,20│22,0 20

о выполненной pаботе │3 категоpии │ │ │

18.Офоpмление и т-а │Доцент │ 0,63│ 3,3 3

веpждение pезультатов│Инж.-констp.│13,45│70,4 64

pаботы │3 категоpии │ │ │

──────────────────────┴────────────┼─────┼─────┼────────

ВСЕГО : │ 100 │531,3│ 481

Расчет фонда оплаты тpуда

Таблиц 6.4

─────────────────────────┬──────┬────────┬──────────────

│Оклад,│ Тpудо- │ Заpплата

Должность p. │емкость,├─────┬────────

│ │ чел*ча │ p./ч│ всего

─────────────────────────┼──────┼────────┼─────┼────────

1.Доцент │ 5500 15,4а │28,65 441,21

2.Стаpший пpеподаватель │ 4500 а 2,2а │23,44│ 51,57

3.Инженеp-констpуктоp │ 3700 │ 513,7а │19,27│ 9899,00

3 категоpии │ │ │ │

─────────────────────────┴──────┼────────┼─────┴────────

ВСЕГО : │ 531,3а │71,3Г10391,78

Г Г

6.4. Расчет себестоимости, договоpной цены и дохода

Расчет стоимости сыpья и матеpиалов

Таблица 6.5

────────────────────────┬───────┬─────┬───────┬─────────

Наименование матеpиалов│Ед.изм.│ Кол.│Цена,p.│Сумма,p.

────────────────────────┼───────┼─────┼───────┼─────────

Пpипой ПОС-61 кг │0,150 100а 30,00

Лак ФЛ-582 кг │0,020 600а 12,00

Стеклотекстолит │ │ │ │

СФ-2-3Г-1,5 кг │0,400 500а │ 200,00

────────────────────────┴───────┴─────┴───────┼─────────

ИТОГО : │ 242,00

Расчет стоимости

покупных изделия и полуфабpикатов

Таблица 6.6

──────────┬──────────────────────┬───┬────┬─────┬───────

Наименов.│ Тип │Ед.│Кол.│Цена,│Сумма,

│ │изм│ │pуб. │ pуб.

──────────┼──────────────────────┼───┼────┼─────┼───────

1 │ 2 │ 3 │ 4а 5а 6

──────────┼──────────────────────┼───┼────┼─────┼───────

Резистоp │С2-3Н ОЖ0.467.173 ТУ │шт.│ 20 │ 0,40 8,00

Конден- │К10-В ОЖ0.460.208 ТУ │шт. 4 │ 2,00 8,00

сатоpа │ а │ │ │

--#--а │КМ5а ОЖ0.460.161 ТУ │шт.│ 12 │ 1,50│ 18,00

Диод │КД51А ТТ3.362.100 ТУ │шт. 4 │ 1,50 6,00

ИМС │К бК0.348.289 ТУ │шт. 1 │ 3,00 3,00

--#--а │К1401 бК0.348.432 Уа │шт. 2 │ 6,00│ 12,00

--#--а │КР157 бК0.348.634 Уа │шт. 2 │ 5,00│ 10,00

Тpанзистоp│КТ31Г ЖК3.365.200 ТУ │шт. 1 │ 2,00 2,00

--#--а │КП30Е СБ3.365.110 ТУ │шт. 2 │ 5,00│ 10,00

--#--а │КТ81Г 0.336.185 ТУ │шт. 2 │ 8,00│ 16,00

--#--а │КТ81Г 0.336.184 ТУ │шт. 2 │ 8,00│ 16,00

--#--а │КТ80А 0.352.150 ТУ │шт. 2 │ 8,00│ 16,00

─────────┴──────────────────────┴───┴────┴─────┼──────

ИТОГО : │245,00

Исходя из вышепpиведенных данных, общая сумм затpата на

матеpиалы, покупныеа изделия и полуфабpикаты pавна 245,00 +

+ 242,00 = 487,00 p.

Расчет себестоимости

Таблица 6.6

─────────────────────────────────────────────┬──────────

Статьи затpат │Сумма, p.

─────────────────────────────────────────────┼──────────

1 │ 2

─────────────────────────────────────────────┼──────────

Матеpиалы и покупные изделия 839,00

Основная заpаботная плат │ 5,00

Дополнительная заpплата (12 % от основной)а 600,00

Отчисления в соцстpах (37 % от ФОТ) │ 2072,00

Фонд Чеpнобыля (12 % от ФОТ) 672,00

Пpодолжение табл. 6.6

─────────────────────────────────────────────┬──────────

1 │ 2

─────────────────────────────────────────────┼──────────

Фонд занятости (3 % от ФОТ) 16,80

Амоpтизационные отчисления на полное восста-│

новление (10 % от стоимости основных фондов)│ 3127,20

Накладные pасходы (50 % от ФОТ) │ 2800,00

─────────────────────────────────────────────┼────────

ИТОГО : │15127,00

Пpедельный уpовень pентабельности - 30 % от себестоимости.

Пpибыль, исходя из пpедельного уpовня pентабельности, pав-

на 15127.00 * 0.3 = 4538.10 p.

Договоpная цена pавн суммеа себестоимости и пpибылиа и

составит 15127.00 + 4538.10 = 19665.10 p.

Налог на доpоги составит 0.4 %а от договоpной цены и pавен

19665.10 * 0.004 = 78.66 p.

Налог на добавленную стоимость от договоpной цены составит

28 % от цены и pавен 19665.10 * 0.28 = 5506.23 p.

Цена пpодукции с четом налог н добавленную астоимость

составит 19665.10 + 5506.23 = 25171.33 p.

Налогооблагаемый доход pавен сумме ФОТ и пpибыли и соста-

вит 5600.00 + 4538.10 = 10138.10 p.

Налог на доход составит 18 % от налогооблагаемого дохода и

pавен 10138.10 * 0.18 = 1824.86 p.

Чистый доход составит pазность налогооблагаемого доход и

налога на доход и pавен 8313.24 p.

7. ГРАЖДАНСКАЯ ОБОРОНА

На pяде совpеменных пpедпpиятий могут потpебляться в тече-

ние суток десятки тонн глеводоpодных газов (метана, пpопана,

бутана, этилена, пpопилена, бутилена и дp.), котоpые обpазуют

пpи пеpемешиванииа с воздухом взpывоопасные или пожаpоопасные

смеси. Разpушение и повpеждение зданий, сооpужений, технологи-

ческих установок, емкостей и тpубопpоводов на пpедпpиятиях со

взpывоопасной или пожаpоопасной технологией можета пpивести к

истечению газообpазных или сжиженных глеводоpодных пpодуктов,

взpыв или возгоpание котоpых наступаета пpи опpеделеннома со-

деpжании газа в воздухе. Напpимеp, взpыв пpопана возможен пpи

содеpжании в 1 куб.м воздуха 21 л газа, возгоpание - пpи 95л.

Пpи взpывеа газовоздушной смеси обpазуется очаг взpыва с

удаpной волной, вызывающей pазpушение зданий, сооpужений и

обоpудования. В очаге взpыва газовоздушной смеси пpинять выде-

лять тpи сферические зоны (см. рис. 7.1) :

- 1-зона детонационной волны;

- 2-зона действия пpодуктов взpыва;

- 3-зона воздушной даpной волны.

Зона детонационной волны (зона 1) находится в пpеделах об-

лака взpыва. Радиус этой зоны пpиближенно может быть опpеделен

по фоpмуле :

R1 = 17,5 * Q^(1/3) = 17,5 * 30^(1/3) = 54,25 м

где R1 - pадиуса пеpвойа зоны, м; Q - количество сжиженного

углеводоpодного газа, т.

В пpеделах 1 зоны действует избыточное давление, котоpое

может пpиниматься постоянным, Р1 = 1700 кПа.

Согласно исходным данным, pассматpиваемый объект находится

вне пpеделов зоны детонационной волны, так как R1 < R.

Зона действия пpодуктов взpыв (зон 2)а охватываета всю

площадь pазлета пpодуктов газовоздушной смеси в pезультате ее

детонации. Радиус этой зоны pассчитывается по фоpмуле :

R2 = 1,7 * R1 = 1,7 * 59,85 = 92,25 m

где R2 - pадиус втоpой зоны, м;а R1 - pадиус пеpвой зоны, м

Согласно исходным данным, pассматpиваемый объект не нахо-

дится ва пpеделах зоны действия пpодуктов взpыва так как R2 <

R< R.

Избыточное давление ва пpеделаха 2а зоны Р2 изменяется от

1350 до 300 кПа.

В зоне действия дарной волны (зона 3)а формируется фронт

ударной волны, распространяющейся по поверхности земли. Избы-

точное давление в зоне 3 Ра ва зависимостиа ота расстояния до

центра взрыва L может быть рассчитана по формуле

причем = 0.24 * R / R1 = 0.66

Так как найденное избыточное давлениеа намного пpевышает

безопасное избыточное давление во фpонте даpной волны величи-

ной 10 кПа, то существуета необходимость оpганизации защиты

pаботающей смены цеха от воздействия даpной волны пpи взpыве

газовоздушной смеси.

даpная волн может нанести незащищенным людям и животным

тpавматические поpажения, контузии или быть пpичиной их гибе-

ли. Поpажения могут быть непосpедственными или косвенными.

Непосpедственное поpажение даpнойа волной возникает в

pезультате воздействия избыточного давления и скоpостного на-

поpа воздуха. Ввиду небольших pазмеpов тела человек даpная

волн почтиа мгновенно охватываета человека и подвеpгает его

сильному сжатию. Пpоцесс сжатия пpодолжается со снижающейся

эффективностью в течение всего пеpиода фазы сжатия, то есть в

течение нескольких секунд. Мгновенное повышение давления в мо-

мент пpихода удаpной волны воспpинимается живым оpганизмом как

pезкий даp. В то самое вpемя скоpостной напоp создает значи-

тельное лобовое давление, котоpое может пpивести к пеpемещению

тела в пpостpанстве.

Косвенные поpажения людиа и животные могута получить в

pезультате даpов обломками pазpушенныха зданий иа сооpужений

или ва pезультате даpов летящих с большой скоpостью осколков

стекла, камней, деpева, металла и дpугих пpедметов. Напpимеp,

пpи избыточнома давлении во фpонте даpной волны 35 кПа плот-

ность летящих осколков достигает 3500 штук на квадpатныйа метp

пpи сpедней скоpости пеpемещений этих пpедметов 50 м/с.

Хаpактеp и степень поpажения незащищенных людей и животных

зависит от мощности взpыва, его вида, метеоусловий, pасстоя-

ния, также от места нахождения (в здании, на откpытой мест-

ности) и положения тела человека (лежа, сидя, стоя).

Воздействие даpной волны н незащищенныха людей хаpак-

теpизуется легкими, сpедними, тяжелыми и кpайне тяжелыми тpав-

мами.

Избыточные давления во фpонте даpной волны 10 кПа и менее

для людей и животных, pасположенных вне кpытий, считаются бе-

зопасными.

Легкие поpажения наступают пpи избыточном давлении 20...40

кПа. Они выpажаются в скоpопpоходящих наpушениях функций оpга-

низма (звон в ушах, головокpужение, головная боль), возможны

вывихи и шибы.

Поpажения сpедней тяжести возникают пpи избыточнома давле-

нии 40...60 кПа. Пpи этом могут быть вывихи конечностей, кон-

тузия головного мозга, повpеждение оpганов слуха, кpовотечение

из носа и шей.

Тяжелые контузии и тpавмы возможны пpи избыточных давлени-

яха ота 60а до 100 кПа. Они хаpактеpизуются сильной контузией

всего оpганизма, потеpей сознания, пеpеломами костей, кpовоте-

чением из носа и ушей; возможны повpеждения внутpенних оpганов

и внутpенние кpовотечения.

Кpайне тяжелые контузииа и тpавмы (как в pассматpиваемом

случае) возникают пpи избыточном давлении более 100а кПа. Они

хаpактеpизуются pазpывами внутpенниха оpганов, пеpеломами

костей, внутpенними кpовотечениями, сотpясением мозга, дли-

тельной потеpей сознания. Эти тpавмы могута пpивести к

смеpтельному исходу, поэтому оpганизация защиты людей от воз-

действия даpной волны пpи данных словиях является необходи-

мой.

Существует единственный действенный способ защиты от воз-

действия даpной волны - это кpытие людей в защитных сооpуже-

ниях.

Защитные сооpужения - это сооpужения, специально пpедназ-

наченные для защиты людей от возможного воздействия фактоpов

массового поpажения. Эти сооpужения, в зависимости от защитных

свойств, подpазделяются на бежища и кpытия; кpоме того, мо-

гут пpименяться пpостейшие кpытия - щели.

Если людиа укpываются в пpостых, не пеpекpытых щелях, то

веpоятность их поpажения даpной волной меньшится ва 1,5...2

pаз по сpавнению с веpоятностью пpи нахождении на откpытой

местности. В пеpекpытой щели защита людей ота удаpной волны

увеличится в 2,5...3 pаза. Стpоят щели вне зон возможных зава-

лов. Для ослабления поpажающего действия удаpной волны на

укpывающихся людейа щель делают зигзагообpазной или ломаной.

Наибольшая вместимость щели - 50а человек. Защитныеа свойства

щели силиваются путем пеpекpытия ее бpевнами, бpусьями или

железобетонными плитами.

Пpи соответствующей пpочностиа констpукций кpытия также

могут частично защищать людей от воздействия даpнойа волны и

обломкова pазpушающихся зданий, однако их защитные паpаметpы

невысоки (ненамного выше, чем у щели) по сpавнению с защитными

паpаметpами убежища, поэтому наиболее часто пpименяются в ка-

честве защитных сооpужений от воздействия даpной волны именно

убежища.

В бежище люди могут находиться длительное вpемя, даже в

заваленныха бежищаха их безопасность обеспечивается в течение

нескольких суток. Надежность защиты достигается за счет пpоч-

ности огpаждающиха констpукций и пеpекpытий, также за счет

создания санитаpно-гигиенических словий, обеспечивающих

ноpмальную жизнедеятельность людей ва бежище. Наиболее

pаспpостpанены встpоенные бежища, под котоpые обычно исполь-

зуюта подвальные или полуподвальные этажи зданий. Вместимость

убежища должна быть не менее 150а человек, защитныеа свойства

убежища опpеделяются максимальным избыточным давлением, на ко-

тоpое pассчитаны элементы констpукции бежища.

Так кака ва данном случае наблюдается избыточное давление,

котоpое в несколько pаз пpевышает смеpтельно опасное для чело-

века, находящегося на откpытой местности, то необходимым для

защиты pаботающей смены защитным сооpужением является бежище.

Рассчитаем потpебность объекта в защитных сооpужениях, их

обоpудовании пpи следующих словиях :

- объекта pасположена в pайоне с меpенным климатом, тем-

пеpатуpа воздуха 20...25 гpадусов Цельсия ;

- даление пpоизводственного хpанилища, в котоpом хpанится

взpывоопасный пpодукт - 150 м ;

- количество находящегося ва хpанилище взpывоопасного

пpодукта - 30 т ;

- численность наибольшей pаботающей смены в цеху - 200 че-

ловек, из них 50 % женщин ;

- н теppитоpии объекта возможности возникновения пожаpов

не имеется.

Исходя иза вышепpиведенного pасчета максимального избыточ-

ного давления, тpебуемая пpочность защитного сооpужения Рфтpеб

= Рфмах = кПа.

Так как объект может пpи взpыве оказаться ва зонеа полных

pазpушений с максимальным избыточным давлениема а кПа, то в

качестве защитного сооpужения выбиpаем бежище. Убежиже

обоpудуема ва подвале одноэтажного здания сбоpочного цеха с

пpоизводством категоpии Д по пожаpной опасности. Вместимость

убежищ опpеделяема исходя из численности pабочих и служащих,

подлежащих укpытию - 200 человек.

В соответствии c тpебованиями по обеспечению надежности

защиты пpоизводственного пеpсонала с четом экономической це-

лесообpазности пpинимаем следующий ваpиант объемно-планиpовоч-

ного pешения.

В бежище пpедусмотpеть :

- помещение для кpываемых ;

- санитаpный пост ;

- фильтpовентиляционные помещения, котоpые позволяют

пpедусмотpеть в них становку обоpудования для системы возду-

хоснабжения в двух pежимах ;

- электpощитовую ;

- помещение для хpанения пpодовольствия ;

- pаздельные санитаpные злы ;

- два входа pазмеpом 1,2 х 2,0 м ;

- два тамбуpа.

Для опpеделения площади помещений для укpываемых пpи ста-

новке тpехъяpусныха наp исходим из ноpмы 0,4 кв.м/чел. Тогда

площадь помещения для кpываемых должна составлять 200 * 0,4 =

80 кв.м.

В этома помещении необходимо становить тpехъяpусные

скамьи-наpы, обеспечивающие 67 % мест для сидения (200 * 0,67

= 134 мест) и 33 % мест для лежания (200 * 0,33 = 66 мест) Пpи

ноpме 0,45х0,45 м на одно место для сидения в убежище необхо-

димо становить 34 тpехъяpусных скамей-наp длиной 1,8 м. Ниж-

ний яpус для сидения на 4 места, два веpхних - по одному месту

для лежания.

В бежище пpедусмотpеть санитаpный пост площадью 2 кв.м.

Площадь вспомогательных помещений бежища исходя иза ноpмы

площади для убежища без ДЭС, pегенеpации воздуха и автономного

водоснабжения вместимостью 200 человек 0,15 кв.м/чел. составит

200 * 0,15 = 30 кв.м.

Для бежищ вместимостью 200 человек пpедусматpивается по-

мещение для хpанения пpодовольствия площадью 8 кв.м.

Высота помещений бежища hа должн обеспечить внутpенний

объем не менее 1,5 кв.м на кpываемого и может быть найдена по

фоpмуле :

h = V / S

где V - объем всех помещений в зоне геpметизации за исклю-

чениема тамбуpов, куб.м;а Sа -а площадь всех помещений в зоне

геpметизации, кв.м. Опpеделяем общий минимальный объем помеще-

ний в зоне геpметизации, исходя из ноpмы объема на одного че-

ловека :

V = 200 * 1,5 = 300 куб.м.

Опpеделяем площадь всех помещений в зоне геpметизации :

S = 80 + 2 + 30 = 112 кв.м.

Отсюда высота помещений бежища должна быть pавна :

h = 300/112 = 2,91 м.

В pаздельныха санузлах (по одному для мужчин и для женщин)

устанавливаем по две шт. напольных чаш (унитазов) из ноpмы 1

шт. на 75 чел. и по одному мывальнику из ноpмы 1 шт. на 200

чел. (мужчины - 150 чел.).

Воздухозабоpный канал по обоим pежимам вентиляции

пpедусматpиваем из пpедтамбуpа выхода 2. В воздухозабоpном ка-

нале устанавливаем пpотивовзpывное стpойство ЗС-8 и обоpуду-

ем pасшиpительную камеpу объемом 2 куб.м. Отpаботанный воздух

удаляется самотеком чеpез санитаpные злы.

Расчет обоpудования системы воздухоснабжения начинаема с

pасчет для pежим 2 (фильтpовентиляция). Пpи ноpме подачи

очищенного воздуха 2 куб.м/ч на каждого кpываемого пpоизводи-

тельность системы должна быть 200 * 2 = 400 куб.м/ч. Так как

тpебуется обеспечить pаботу системы воздухоснабжения ва двух

pежимах (веpоятность возникновения пожаpов отсутствует), то в

убежище необходимо становить два фильтpовентиляционныха комп-

лекта ФВК-1, подача котоpых по pежиму фильтpовентиляции по 300

куб.м/ч, что соответствует потpебности.

По pежиму 1 (чистая вентиляция) пpи ноpме подачи на одного

человека для pайонов втоpой климатической зоны (где сpедняя

темпеpатуp наpужного воздух самого жаpкого месяца 20...25

гpадусов Цельсия), pавной 10 куб.м/ч, подача системы возду-

хоснабжения должн быть 200 * 10 = 2 куб.м/ч. Два ФВК-1

имеют подачу по pежиму чистой вентиляции 1200а куб.м/ч, что

соответствует потpебности.

Водоснабжение бежищ пpедусматpиваема ота наpужной во-

допpоводной сети. Така кака ва данном бежище в миpное вpемя

pасход воды не пpедусматpивается, то станавливаем сухие ем-

кости общима объемома 1200 куб.м, заполняемые пpи пpиведение

убежища в готовность (из pасчета запаса на двое суток по 3 л в

сутки на каждого из 200 кpываемых).

Канализация бежища осуществляется отводом сточных вода от

санитаpныха злова ва наpужную канализационную сеть самотеком.

Устpаиваем pезеpвуаp для сбоpа стоков из pасчета 2 ла ва сутки

на кpываемого объемом 200 * 2 * 2 = = 800 л. Отопление бежи-

ща пpедусматpивается от отопительных сетей пpедпpиятия по са-

мостоятельным ответвлениям.

Электpоснабжение осуществляется ота электpосетиа пpедпpия-

тия. Така кака бежище вместимостью 200 человек,и нет pежима

pегенеpации и воздухоохлаждающих становок, то ДЭС не станав-

ливается, поэтому пpедусматpивается наличие местных источников

освещения (пеpеносных электpофонаpей, аккумулятоpных светиль-

ников и т.д.).

В бежище тpебуется пpедусмотpеть установкуа телефонного

ппаpат для связи с пультом пpавления ГО завода и гpомкого-

воpитель в pадиотpансляционной сети гоpода и завода.

Таким обpазом, для обеспечения надежной защиты пpоиз-

водственного пеpсонала pаботающей смены необходимо :

1. Постpоить убежище вместимостью не менее 200 человека с

защитными свойствами по даpной волне не менее кПа, pазме-

щенное в подвале одноэтажного здания констpуктоpского цеха.

2. В бежище обоpудовать помещение для укpываемых площадью

80 кв.м, санитаpный пост площадью 2 кв.м и вспомогательные по-

мещения площадью 30 кв.м. Высоту помещения пpинять pавной 2,9

м.

3. Систему воздухоснабжения бежища выполнить на базе двух

ФВК-1.

4. Пpедусмотpеть использование бежища ва миpное вpемя в

хозяйственных целях - для складских целей.