1 ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ПРО...

6

1 ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ПРО ТЕМПЕРАТУРУ

ТА ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ТЕМПЕРАТУРИ

Температурою називається фізична величина, що кількісно характеризує

міру середньої кінетичної енергії теплового руху молекул будь-якого тіла або

речовини. Під терміном «температурна шкала» розуміють неперервну

сукупність чисел, лінійно пов'язану з числовим значенням якоїсь точно

вимірюваної властивості, що є однозначною i монотонною функцією

температури. На початку XX століття широко застосовувалися шкали Цельсія і

Реомюра, а в наукових роботах - також шкали Кельвіна і водневу. Перерахунки

з однієї шкали на іншу створювали великі труднощі і приводили до ряду

непорозумінь. Тому в 1933 році було ухвалене рішення про введення

Міжнародної температурної шкали (МТШ). Досвід застосування МТШ показав

необхідність внесення в неї ряду уточнень і доповнень, щоб по можливості

максимально наблизити її до термодинамічної шкали. Тому МТШ була

переглянута і приведена у відповідність із станом знань того часу. У 1960 році

було затверджене нове "Положення про міжнародну практичну температурну

шкалу 1948 року".[4]

Температура є фізичною величиною, яка характеризує тепловий стан,

ступінь нагрітості тіла і є мірою його внутрішньої кінетичної енергії.

Безпосередньому вимірюванню температура не піддається, її значення можна

знайти тільки за якими-небудь іншими фізичними параметрами досліджуваного

тіла, які змінюються залежно від зміни температури. Такими параметрами

можуть бути, наприклад, об'єм, довжина, електричний опір, енергетична

яскравість випромінювання тощо.

Температура — це статистичне поняття, яке використовується до систем,

які складаються з великого числа часток, що знаходяться в тепловій рівновазі.

Енергія часток, усереднена по їхньому числу, і визначає температуру системи.

При взаємодії двох рівнозважених систем, що мають різні температури,

відбувається перехід енергії від системи з більшим енерговмістом в систему з

7

меншим енерговмістом, доки обидві системи не приймуть новий стан

рівноваги. Спільним для усіх видів часток первісно поділених систем є

температура.

Фаренгейт (1715 р.), Реомюр (1776 p.) i Цельсій (1742 р.) при побудові

шкал базувались на припущенні лінійного зв'язку між температурою Т i

термометричними властивостями як, наприклад, розширення об'єму рідин V,

тобто:

Т = а + b ∙V, (1.1)

де a і b – сталі коефіцієнти.

Підставивши в це рівняння V = V1, при Т – Т1 V = V2 при Т = Т2, після

перетворень отримаємо рівняння температурної шкали:

(1.2)

де ( ) – головний інтервал.

В шкалах Фаренгейта, Реомюра i Цельсія точка танення льоду Т,

відповідала відповідно +32,0 i 0 градусам, а точка кипіння води Т2 – 212,80 i

100 градусам. Головний. інтервал ділиться відповідно на N = 180, 80 i 100

рівних частин, і 1/N частину кожного з інтервалів називають градусом

Фаренгейта – T °F, градусом Реомюра – T °R i градусом Цельсія – T °С.

За одиницю температури приймають градус, який дорівнює 1/100

діапазону температур від точки танення льоду (0 ºС) до точки кипіння води

(100 ºС).

Цю одиницю за шкалою Цельсія позначають 1 ºС. В шкалі Цельсія

нульова температура відповідає точці танення льоду. Температури нижчі за

нульову температуру, – від’ємні.

Найнижча температура, яка відповідає абсолютному нулю, дорівнює

8

273,16 ºС. Нуль шкали Кельвіна дорівнює абсолютному нулю, тому всі

температури за цією шкалою додатні.

Таким чином, для шкал побудованих за вказаним принципом, градус не

є одиницею вимірювання, а являє собою масштаб шкали.

Для перерахунку температури з однієї із вказаних шкал в іншу

використовують таке співвідношення:

T°C = 1,25 R = (T°F - 32). (1.3)

Температуру вимірюють за допомогою пристроїв, що використовують

різні термометричні властивості рідин, газів і твердих тіл. Існують десятки

різних пристроїв, що використовуються в промисловості, при наукових

дослідженнях, для спеціальних цілей.

В стані рівноваги температура має однакове значення для всіх

макроскопічних частин системи. Якщо в системі два тіла мають однакову

температуру, то між ними не відбувається передачі тепла. Якщо існує різниця

температур, то тепло переходить від тіла з вищою температурою до тіла з

нижчою.

На мікроскопічному рівні температура пов'язана із тепловим рухом

атомів та молекул, із яких складаються фізичні тіла, а саме - з їх кінетичною

енергією.

Температура (від лат температура - yалежне змішування, нормальний

стан) - скалярна фізична величина, яка характеризує середню кінетичну енергію

частинок макроскопічної системи, що припадає на один ступінь вільності.

У таблиці 1.1 приведені найбільш поширені пристрої для вимірювання

температури і практичні межі їх застосування.

9

Таблиця 1.1 - Найбільш поширені пристрої для вимірювання температури

Термометрична

властивість Назва пристрою

Межі тривалого

застосування, C

Нижня Верхня

Теплове

розширення Рідинні скляні термометри -190 600

Зміна тиску Манометричні термометри -160 60

Зміна

електричного

опору

Електричні термометри опору -200 500

Напівпровідникові термометри

опору -90 180

Термоелектричні

ефекти

Термоелектричні термометри

(термопари) стандартизовані -50 1600

Термоелектричні термометри

(термопари) спеціальні 1300 2500

Теплове

випромінювання

Оптичні пірометри 700 6000

Радіаційні пірометри 20 3000

Фотоелектричні пірометри 600 4000

Колірні пірометри 1400 2800

1.1 Особливості вимірювання температури

Основною особливістю вимірювання температури, як неелектричної

величини є її перетворення в електричну за допомогою первинного

вимірювального перетворювача (сенсора) з подальшим її вимірюванням

вторинним електровимірювальним приладом.

За винятком інтегральних, всі сенсори температури мають нелінійну

функцію перетворення.

10

Резистивні сенсори температури (термометри опору) характеризуються

високою точністю, не вимагають зовнішнього струму збудження і є складовими

мостових засобів вимірювань.

В таблиці 1.2 наведено перелік популярних типів сенсорів температури та

їхні основні метрологічні характеристики. Термістори мають найвищу

чутливість, але для них характерна найбільша не лінійність [5].

Напівпровідникові сенсори температури є високоточними, з високою

лінійністю в діапазоні робочих температур від -55 °C до +150 °C. Внутрішні

підсилювачі масштабують вихідний сигнал до значень, зручних для АЦП

перетворення, наприклад, 10 мВ/°C.

Таблиця 1.2 – Основні метрологічні характеристики сенсорів температури

Термопари

Термометри

опору

Термістори

Напівпровідникові

сенсори температури

Найширший

діапазон

температур:

-184 оС … +2300 °C

Діапазон


-200 оС …

+850 °C

Діапазон


0 оС …+100

°C

Діапазон


0 оС … +100 °C

Висока точність та

повторюваність

Висока

лінійність

Низька

лінійність

Лінійність: 1 оС

Абсолютна

похибка: 1 °C

Необхідність

компенсації

температури

холодного


зовнішнього

збудження



збудження



збудження

Мале значення

вихідної напруги

(термо-е.р.с.)

Низька

вартість

Висока

чутливість

Типовий вихідний

сигнал:

10 мВ/К, 20 мВ/К,

або 1 мВ/К

11

1.2 Термоелектричні термометри

Для вимірювання температури широкого поширення набули

термоелектричні термометри, що працюють в діапазоні температур від -200 до

+2500 0C і вище. Даний тип пристроїв характеризує висока точність і

надійність, можливість використання в системах автоматичного контролю і

регулювання параметра, що значною мірою визначає хід технологічного

процесу в металургійних агрегатах.

Суть термоелектричного методу полягає у виникненні ЕРС в провіднику,

кінці якого мають різну температуру. Для того, щоб зміряти дану ЕРС, її

порівнюють з ЕРС іншого провідника, що створює з першим термоелектричну

пару AB, в ланцюзі якої пройде струм (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Термопара

Результуюча термо - ЕРС ланцюга, що складається з двох різних

провідників A і B (однорідних по довжині), рівна:

1212, tetettE ABABAB . (1.4)

Або,

1212, tetettE ABABAB , (1.5)

де 2teAB і 1teAB - різниці потенціалів провідників A і B відповідно при

12

температурах t2 і t1, мВ.

Термо-ЕРС даної пари залежить тільки від температури t1 и t2 і не

залежить від розмірів термоелектродів (довжини, діаметру), величин

теплопровідності і питомого електроопору.

Для збільшення чутливості термоелектричного методу вимірювання

температури у ряді випадків застосовують термобатарею: декілька послідовно

включених термопар, робочі кінці яких знаходяться при температурі t2, вільні

при відомій і постійній температурі t1.

Термоелектричний термометр (ТТ) - це вимірювальний перетворювач,

чутливий елемент якого (термопара) розташований в спеціальній захисній

арматурі, що забезпечує захист термоелектродов від механічних пошкоджен і

дії вимірюваного середовища.

Термоелектричні термометри випускаються двох типів: занурювані,

поверхневі. В промисловостіь виготовляються пристрої різних модифікацій, що

відрізняються за призначенням і умовам експлуатації, за матеріалом захисного

чохла, за способом установки термометра в точці вимірювання, по

герметичності і захищеності від дії вимірюваного середовища, по стійкості до

механічних дій, по ступеню теплової інерційності і т.п.

В умовах тривалої експлуатації при високих температурах і агресивній

дії середовищ з'являється нестабільність градуювальної характеристики, яка є

наслідком ряду причин: забруднення матеріалів термоелектродів домішками із

захисних чохлів, керамічних ізоляторів і атмосфери печі; випаровування одного

з компонентів сплаву; взаємної дифузії через спай. Величина відхилення може

бути значною і різко збільшується із зростанням температури і тривалістю

експлуатації. Вказані обставини необхідно враховувати при оцінці точності

вимірювання температури у виробничих умовах. Перевірка ТТ зводиться до

визначення температурної залежності термо-ЕРС і порівнянні одержаного

градуювання із стандартними значеннями.

13

1.3 Електричні термометри опору

Для вимірювання температур до 6500С застосовуються термометри опору

(ТО), принцип дії яких заснований на використанні залежності електричного

опору речовини від температури. Знаючи дану залежність, по зміні величини

опору термометра судять про температуру середовища, в яке він занурений.

Вихідним параметром пристрою є електрична величина, яка може бути

виміряна з досить високою точністю (до 0,020С), передана на великі відстані і

безпосередньо використана в системах автоматичного контролю і регулювання.

Як матеріали для виготовлення чутливих елементів ТО використовуються

чисті метали: платина, мідь, нікель, залізо і напівпровідники.

Зміна електроопору даного матеріалу при зміні температури

характеризується температурним коефіцієнтом опору , який обчислюється

за формулою:

tRRRt 00 , (1.6)

де t - температура матеріалу, 0С;

R0 і Rt - електроопір відповідно при 0 0С і температурі t, Ом.

Опір напівпровідників із збільшенням температури різко зменшується,

тобто вони мають негативний температурний коефіцієнт опору практично на

порядок більше, ніж у металів. Напівпровідникові термометри опору (ТОНП) в

основному застосовуються для вимірювання низьких температур (1,5 - 400 К).

Перевагами ТОНП є невеликі габарити, мала інерційність, високий

коефіцієнт. Проте вони мають істотні недоліки:

- нелінійний характер залежності опору від температури;

- відсутність відтворюваності складу і градуювальної характеристики, що

виключає взаємозамінюваність окремих ТО даного типу. Це приводить до

випуску ТОНП з індивідуальним градуюванням.

14

1.4 Безконтактне вимірювання температури

Про температуру нагрітого тіла можна говорити на підставі вимірювання

параметрів його теплового випромінювання, що являють собою

електромагнітні хвилі різної довжини. Чим вища температура тіла, тим більше

енергії воно випромінює. [6]

Термометри, дія яких заснована на вимірюванні теплового

випромінювання, називають пірометрами. Вони дозволяють контролювати

температуру від 100 до 6000 0С і вище. Однією з головних переваг даних

пристроїв є відсутність впливу вимірювача на температурне поле нагрітого

тіла, оскільки в процесі вимірювання вони не вступають в безпосередній

контакт один з одним. Тому дані методи одержали назву безконтактних.

На підставі законів випромінювання розроблені пірометри наступних

типів:

- пірометр сумарного випромінювання (ПСВп) - вимірюється повна

енергія випромінювання;

- пірометр часткового випромінювання (ПЧВ) - вимірюється енергія в

обмеженій фільтром (або приймачем) ділянці спектру;

- пірометри спектрального відношення (ПСВ) - вимірюється відношення

енергії фіксованих ділянок спектру.

Залежно від типу пірометра розрізняються радіаційна, колірна

температури та температура яскравості.

Радіаційною температурою реального тіла Тр називають температуру, при

якій повна потужність АЧТ рівна повній енергії випромінювання даного тіла

при дійсній температурі Тд.

Температурою яскравості реального тіла Тя, називають температуру, при

якій щільність потоку спектрального випромінювання АЧТ рівна щільності

потоку спектрального випромінювання реального тіла для тієї ж довжини хвилі

(або вузького інтервалу спектру) при дійсній температурі Тд.

Колірною температурою реального тіла Тц називають температуру, при

15

якій відношення щільності потоків випромінювання АЧТ для двох довжин

хвиль і рівні відношенню щільності потоків випромінювань реального

тіла для тих же довжин хвиль при дійсній температурі Тд. Принцип дії

оптичних пірометрів заснований на використанні залежності щільності потоку

монохроматичного випромінювання від температури.

У фотоелектричних пірометрах з межами вимірювання від 500 до

1100 0С застосовують киснево-цезієвий фотоелемент, а в приладах з шкалою

800 - 4000 0С вакуумний сурм'яно-цезієвий. Поєднання останнього з червоним

світлофільтром забезпечує отримання ефективної довжини хвилі пірометра

0,650,01 мкм, що приводить до збігу показів фотоелектричного пірометра з

показами візуального оптичного пірометра.

1.5 Цифрові вимірювачі температури

Загальні особливості побудови цифрових вимірювачів температури (ЦВТ)

зв`язані з низьким рівнем сигналів первинних вимірювальних перетворювачів,

високим рівнем завад нормального та спільного видів (як правило,

співвимірним з корисним сигналом), необхідністю лінеаризації загальної

функції перетворення, забезпеченням високої часової стабільності та малих

змін їх показів у широкому діапазоні зміни температури довкілля. Спеціальні

вимоги випливають з особливостей використання первинних вимірювальних

перетворювачів: необхідність компенсації впливу зміни температури вільних

кінців термоелектричних перетворювачів, суттєве зменшення похибок від

перегріву терморезистивних перетворювачів вимірювальним струмом,

забезпечення інваріантності результату вимірювання до значення

вимірювального струму, а також опорів з`єднувальних ліній. Для врахування

вказаних особливостей ЦВТ виконуються з автоматичною корекцією адитивної

складової похибки в цифровій частині приладу ата цифровою лінеаризацією

загальної функції перетворення. Значного послаблення завад досягають

використанням методу АЦП з ваговим двотактним інтегруванням та

16

гальванічним розділенням аналогової та цифрової частини приладів.

В сучасних промислових вимірювальних системах все частіше

використовують сенсори температури з цифровим виходом. Ці "інтелектуальні"

сенсори самостійно оцифровують вимірювальний параметр, в даному випадку -

температуру, і передають інформацію в цифровому коді по стандартному

інтерфейсу.

Цифрові температурні сенсори дозволяють уникнути багатьох проблем,

пов’язаних з передачею аналогового сигналу від напівпровідникового сенсора

до входу АЦП або компаратора. Ці проблеми пов’язані з тим, що вихід

термосенсора, як правило, малопотужний і лінія передачі аналогового сигналу

сильно піддається впливу електромагнітних полів і завад, що може суттєво

спотворити результати вимірювань. Крім того, у випадку, коли сенсор

віддалений, доводиться враховувати і падіння напруги на ній, що ще більше

ускладнює обробку результатів вимірювань. Таким чином, при наявності

достатньо лінійного і точного елемента перетворення, виробники не можуть

гарантувати точність краще 1,5... 2,0 ºС.

У випадку же цифрового термосенсора процес перетворення аналоговий

сигнал-код” здійснюється прямо на кристалі, і в подальшому дані на приймач

інформації поступають уже в цифровому виді.

Ці перетворювачі виготовляються такими провідними світовими

виробниками як Analog Devices, Dallas Semiconductor, Motorola, та інші.

Вихідним сигналом таких перетворювачів є напруга, яка лінійно залежить від

вимірюваної температури, або імпульсний сигнал, інформативним параметром

якого є частота або шпаруватість імпульсів. [7]

Якщо є необхідність контролю температури віддалених об’єктів, то

доцільно використовувати термоперетворювачі з імпульсним вихідним

сигналом. Це зумовлено наступними причинами:

- аналоговий вихідний сигнал термоперетворювача для передачі на великі

відстані необхідно перетворювати в цифровий код, тому як цифровий сигнал

має набагато більшу завадостійкість, ніж аналоговий;

17

- цифровий сигнал зручно перетворювати у сигнал інтерфейсу RS-233,

RS-422 або RS-485, які призначені для передачі даних на великі відстані;

- інтегральні напівпровідникові термоперетворювачі як правило

виконуються у невеликих за розмірами корпусами і легко встановлюються на

об’єкті;

- інтегральні напівпровідникові термоперетворювачі мають мале

енергоспоживання, що дозволяє використовувати їх локальне акумуляторне

живлення. [8]

В ЦВТ з термоелектричними перетворювачами рисунок 1.2

використовуються аналогова схема компенсації впливу зміни температури

вільних кінців, а корекція адитивної похибки здійснюється за методом

комутаційного інвертування.

Рисунок 1.2 – Структурна схема ЦВТ з термоелектричними

перетворювачами

Аналогова частина ЦВТ містить перемикач полярності П, масштабний

підсилювач МП, перетворювач напруги в інтервал часу ПНЧ, блок опорної

напруги Е0 та блок керування аналоговою частиною БКА. Ця частина

екранована та гальванічно розділена з його цифровою частиною за допомогою

блока гальванічного розділення БГР. Цифровачастина складається з блоку

керування БК, боку корекції адитивної похибки БКА, блоку цифрової

18

лінеаризації БЦЛ та блоку відображення інформації БВІ.

Код результату вимірювання і пропорційний йому показ отримується

за два цикли перетворення при протилежних полярностях вхідної напруги

, яка інвертується перемикачем полярності П,

, (1.7)

де Т - тривалість часу інтегрування вхідної напруги;

- опорна частота;

- коефіцієнт передачі масштабного підсилювача МП;

Е0 – опорна напруга АЦП;

- коефіцієнт перетворення блока цифрової лінеаризації.

Оскільки скореговане за методом комутаційного інвертування значення

адитивної похибки є нехтовно малим (менше ±0,5 мкВ і не перевищує половини

одиниці молодшого розряду), то стабільність таких ЦВТ визначається тільки

стабільністю їх масштабних елементів. Для сучасної елементної бази

нормований час безперервної роботи приладів без підстроювання становить

5000 год (1 календарний рік) у важких промислових умовах. [9]

ЦВТ з терморезистивними перетворювачами відрізняються тільки

наявністю деяких блоків в аналоговій частині рисунок 1.3. В аналоговій частині

є такі блоки: перетворювач напруга-струм ПНС, перетворювач струм-напруга

ПСН, суматор СМ, масштабний резистор .

Терморезистивні перетворювачі можуть під`єднуватись до ЦВТ як

чотирипровідною лінією до струмових С1, С2 та потенціальних П1, П2 входів

(ключ S - в положенні 1), так і трипровідною (ключ S – в положенні 2).

Корекція адитивной похибки здійснюється за методом модуляції

вимірювального струму, значення яких встановлюється перетворювачем

напруга-струм ПНС. [10]

19

Рисунок 1.3 – Структурна схема ЦВТ з терморезистивними перетворювачами

За умови код результату вимірювання для чотирипровідної

лінії зв`язку визначатиметься як:

, (1.8)

де - опір терморезистивного перетворювача при 0 ;

- коефіцієнт пертворення напуги на струм;

- відношення опорів терморезистивного перетворювача.

Для трипровідної лінії зв`язку код результату вимірювання

знаходиться як :

, (1.9)

де , - опори першого та другого струмових дротів;

- коефіцієнт передачі суматора за середнім входом.

При виконанні коефіцієнта передачі підстроюваним, трудомістка

20

операція підгонки різниці опорів ( , де - опір резистора

підгонки) замінюється набагато простішою операцією підстроювання

. Це забезпечує інваріантність результату вимірювання до опорів

три провідної лінії зв`язку. [11]

1.6 Манометричний термометри

Дія манометричних термометрів заснована на використанні залежності

тиску речовини при постійному об'ємі від температури. Замкнута вимірювальна

система манометричного термометра складається з чутливого елементу, що

сприймає температуру вимірюваного середовища - металевого термобаллона,

робочого елементу манометра, що вимірює тиск в системі, довгого

з`єднувального металевого капіляра рисунок 1.4.

Рисунок 1.4 - Манометричний термометр

При зміні температури вимірюваного середовища тиск в системі

змінюється, внаслідок чого чутливий елемент переміщує стрілку або перо за

шкалою манометра, отградуйованого в градусах температури. Манометричні

термометри часто використовують в системах автоматичного регулювання

температури, як бесшкальні пристрої інформації (датчики).

Манометричні термометри підрозділяють на три основні різновиди:

- рідинні, в яких вся вимірювальна система (термобаллон, манометр і

21

сполучний капіляр) заповнені рідиною;

- конденсаційні, в яких термобаллон заповнений частково рідиною з

низькою температурою кипіння і частково - її насиченими парами, а

з`єднувальний капіляр і манометр - насиченими парами рідини або, частіше,

спеціальною передавальною рідиною;

- газові, в яких вся вимірювальна система заповнена інертним газом.

Перевагами манометричних термометрів є порівняльна простота

конструкції і застосування, можливість дистанційного вимірювання

температури і можливість автоматичного запису показів. До недоліків

манометричних термометрів відносяться: відносно невисоку точність

вимірювання (клас точності 1,6; 2,5; 4,0 і рідше 1,0); невелику відстань

дистанційної передачі показів (не більше 60 метрів) і складність ремонту при

розгерметизації вимірювальної системи.

Перевірка показів манометричних термометрів проводиться тими ж

методами і засобами, що і скляних рідинних. [12]

22

2 ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ

ДОЦІЛЬНОСТІ ПРОЕКТУВАННЯ

На сучасному етапі розвитку науки і техніки мікропроцесорних системах

гарячого водопостачання існує проблема по вимірюванню температури, з

зниженням споживаної потужності самих приладів, підвищення/зниження

температури опалення відповідно з температурою навколишнього середовища,

що приведе до зменшення витрат на опалення і водопостачання, що в свою

чергу приведе до зниження собівартості опалення і гарячого водопостачання.

Також в наш час потрібні прилади які можуть здійснювати передачу IВМ–

сумісної ЕОМ інформації про значення контрольованих температур, заданих

настройок, коефіцієнтів регулювання, і приймають від неї дані на зміну цих

параметрів. [13]

2.1 Суть технічної проблеми, що виникла на сучасному етапі

розвитку науки і техніки

В наш час розвитку науки і техніки cеред широкого різновиду

вимірювальних параметрів одним із основних являється температура. Її

вимірювання необхідне у всіх складних технологічних процесах. Великий

різновид сенсорів температури, які працюють на різних фізичних принципах і

виготовлених із різних матеріалів, дозволяє вимірювати її навіть в самих

важкодоступних містах там, де інші параметри виміряти неможливо. Так

наприклад, в активній зоні атомних реакторів встановлені тільки сенсори

температури, вимірювання якої дозволяє оцінити інші теплоенергетичні

параметри, такі як тиск, густина, рівень теплоносія і т.д.

Температура є однією з найбільш часто вимірюваних фізичних величин.

Повнота та достовірність отримуваної інформації про температуру завжди мали

велике значення в багатьох технологічних процесах, особливо, коли йде мова

про передачу інформації на відстань.

23

У промисловості також існує потреба у підвищенні точності вимірювання

температури, що має великий вплив на якісні показники виробів у

різноманітних галузях народного господарства, при наукових дослідженнях, в

медицині та ін.

Сьогодні в зв’язку зі значним прогресом в галузі первинних

вимірювальних перетворювачів та винятковими можливостями

мікропроцесорної техніки на перший план виходять мікропроцесорні засоби

вимірювання цих величин. Їх основні переваги: можливість автоматизації

вимірювального процесу та автоматичної обробки результатів вимірювань,

неперервний запис результатів контролю тощо. Створення сучасної

контрольно-вимірювальної апаратури для реєстрації температури та інших

показників під час проходження технологічних процесів стало специфічно

складним технічним завданням. А проте використання даних засобів

автоматизації контролю температури, елементною базою яких служать

мікропроцесори, є обов’язковою умовою реалізації будь-якої автоматизованої

системи управління технологічними процесами в народному господарстві.

Вони дають змогу максимально виключити затрати ручної праці, підвищити

точність, надійність і достовірність реєстрації температури.

На даний час ринок сучасної техніки має переважно іноземну техніку

провідних іноземних фірм і компаній. Майже всі іноземні фірми, що існують на

сьогодні на українському ринку пропонують досить якісне і надійне

обладнання і пристрої, але за досить високими цінами, що поки не влаштовує

господарство України. На сьогоднішній день дана проблема вирішується

шляхом створення нового сучасного обладнання, але вже вітчизняного

виробництва, яке буде не менш якісним, але більш дешевим. Це дасть

можливість переобладнати та переоснастити технологічні процеси із значною

економією фінансів. Хоча дана проблема вже відносно давно стоїть на шляху

розв’язання, але все ж таки ще не вирішена. Тому ще й досі стоїть питання

створення сучасного і надійного вітчизняного обладнання.

24

Тому доцільним є створення вітчизняної мікропроцесорної системи

гарячого водопостачання, яка б виконувала найбільш важливі та необхідні

функції контролю температури.

2.2 Аналіз існуючих способів вирішення поставленої задачі

Основним недоліком багатьох існуючих систем вимірювання та

регулювання температури є застаріла елементна база. Електронні схеми

реалізовані на елементах жорсткої логіки. Це призводить до ряду недоліків:

велика маса та габарити систем, низька надійність. Тому доцільною є розробка

системи, яка виконувала б аналогічні функції, але була б реалізована на основі

мікропроцесорної техніки.

На ринку представлений широкий спектр подібних приладів і пристроїв

як вітчизняних, так і закордонних фірм, тому й у лабораторній установці

доцільно застосувати функціонально закінчені системи і прилади автоматики.

При цьому можна вирішити, наприклад, такі задачі:

• одно- або багатоканальне регулювання температури;

• робота в режимі двопозиційного, ПІ або Під-регулювання температури;

• сигналізація різних температурних режимів;

• вимірювання, сигналізація, регулювання температури в розподілених

автоматизованих системах керування технологічними процесами і т.д.

Так розроблені одно канальні системи вимірювання температури,

двоканальні та чотирьох канальні системи вимірювання температури для

систем тепловодопостачання (рисунок 2.1).

25

R4CLK

SLC

SDA+3.3V

T

R1

R2

R3

C1C2

2

3

4

5

1

10

9

8

7

6

DA1

Рисунок 2.1 – Одно канальна система вимірювання температури

Вимірювання опору в діапазоні від 50 до 1000 Ом по двопровідній схемі з

шістнадцятирозрядним розрішенням дозволяє отримати високу точність

вимірювання. Двохпровідна лінія дозволяє віддалити датчик на сотні метрів.

Слідує також відмітити низьку ціну приладу виготовленого на базі контролера

ADS1244 (рисунок 2.2).

T

T

DA1

9

10

7

8

6

11

15

16 2

3

13

14

1

4

12

5

DRDY

CS

SCK

SDO

SDI

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7 R8

R9

R10

R11

R12

R13

R14

C1 C2 C3 C4 C5 C6

C7

C8

ZQ

+V

Рисунок 2.2 – Двоканальна система вимірювання температури

26

Вимірювання опору до 1Ком по чотирьохпроводній схемі. Даний вид

підключення датчиків широко використовується при виготовлені серійних

моделей. Хоча точність такої системи вимірювання температури нижча за одно

канальну, проте вона має і суттєву перевагу таку, як багатозадачність.

Прилади сконструйовані за схемою, наведені на рисунку 2.3 містять

чотири незалежних канали для вимірювання температури. Розглянемо прилад

створений по схемі приведеній на рисунку 2.3. Пропонується взяти систему

вимірювання температурою, що використовується для систем опалення, прилад

ТРМ32 за аналог для подальшого рішення поставленої задачі. [14]

DA1

3

6

7

8

9

10

11

12

19

18

21

22

23

24

14

15

SYSN

SCLK

DOUT

DROY

ZQ

T

R2

R3

T

R4

R5

T

R6

R7

T

R8

R9

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7

R1

C8

13

5

25

26

27

28

OIN

R10

R11

20

D4

D3

D2

D1

1

+3.3V

Рисунок 2.3 – Чотирьохканальна система вимірювання температури

27

Конструктивні особливості приладу–аналогу наступні:

- прилад, використовується у системах опалення і гарячого

водопостачання рисунок 2.4;

- прилад здійснює передачу IВМ-сумісної ЕОМ інформації про значення

контрольованих температур, заданих уставках і коефіцієнтах регулювання, і

приймає від неї дані на зміну цих параметрів.

TPM32

T навколишнього

середовища

Пряма вода

Зворотня вода

Пряма вода

Зворотня вода

Т отоплення

Т ГВП

Т обр.

Насос

ГВП

Насос

отоплення

Ко

нту

р о

топ

лен

ня

Ко

нту

р г

аряч

ого

во

до

заб

езп

ечен

няя

Рисунок 2.4 – Схема регулювання температури у системах

опалення і гарячого водопостачання

При роботі в складі системи прилад вимірює температуру зовнішнього

повітря Тзовн, температуру води в контурах опалення Т і гарячого

водопостачання. А також температуру зворотної води яка повертається в

теплоцентраль. За результатами вимірювань прилад керує роботою двох

http://www.a-t-c.ru/DOCS/Z980-1.pdf

28

забірно-регулюючих клапанів, один із яких служить для підтримки заданого

значення температури в контурі опалення, а інший - у контурі гарячого

водопостачання. Задане значення температури в контурі опалення Т

обчислюється приладом за графіком Т = f (Тзовн), параметри якого закладаються

користувачем при програмуванні ТРМ32. Нахил прямого графіка визначається

значенням коефіцієнта К Тзовн, а її зсув щодо осі абсцис - значенням коефіцієнта

(рисунок 2.5).

Т п

ост

.

Т зовнішне С

Т зовн

Т пост.

Т пост.

Отоплення С

Т пост. Отоп. =f(Tзовн.)

При Ксм=10

Т пост. Отоп. =f(Tзовн.)

Кн=1,6

Рисунок 2.5 – Приклад графіка Т =f(Тзовн. ) при К1

Значення коефіцієнта, що задається при програмуванні параметра U-0,7, а

коефіцієнта К - при програмуванні параметра U-0,3. При регулюванні прилад

контролює температуру зворотної води, що повертається в теплоцентраль,

захищаючи систему від несанкціонованого перевищення нею заданого

значення. У випадку такого перевищення прилад формує сигнал на закриття у

контурі опалення з метою зниження температури зворотної води. Після

ліквідації перевищення температури зворотної води ТРМ32 автоматично

переходить на регулювання за значенням Т (рисунок 2.6). [15]


29

Т п

ост

.

Т зовнішне С

Т зовн

Т пост.Т обр. Max С

Т обр. max =f(Tзовн.)

При Ксм2=10

Кн2=1.9

При Ксм2=0

Т обр. max =f(Tзовн.)

Т зовнішніх

вим.

Рисунок 2.6 – Приклад графіка Т =f(Тзовн. ) при К1

Прилади сконструйовані за схемою, наведені на рисунку 2.3 містять

чотири незалежних канали для вимірювання температури. Пропонується взяти

прилад ТРМ32 за аналог для подальшого рішення поставленої задачі, технічні

характеристики наведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1 - Технічні характеристики система вимірювання температури

Напруга живлення, В 220

Номінальна частота струму, Гц 50

Припустиме відхилення напруги живлення, % 15...+10

Споживана потужність, В не більше 12

Діапазон контролю температури, С, не менш 0...+200

Розрішаюча здатність, С 0,1

Межа припустимої основної приведеної похибки вимірювання

температури (без обліку погрішності датчиків), % 0,5

Тип датчиків контролю температури ТСМ; ТСП

Інтерфейс зв'язку з ЕОМ через адаптер мережі АС-2 RS-232

Довжина лінії зв'язку приладу адаптером мережі, м, не більш 1000


30

Дана система вибрана за аналог так як вона має, у порівнянні з іншими

наступні переваги такі, як: висока точність вимірювання, широкий діапазон

контролю температури, компактність, простота і надійність в експлуатації. [16]

2.3 Порівняльний аналіз технічних показників нової розробки і

аналога

За аналог виберемо інформаційно-вимірювальну систему контролю

температури, яка була представлена вище.

Подамо основні технічні показники нової розробки та її аналога у вигляді

таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 – Основні технічні показники аналога і нової розробки

Параметри

Одиниця

вимірювання

Аналог

Нова

розробка

Відношення

параметрів

аналога до

параметрів

нової

розробки

Діапазон вимірювання

температури C 0…+200 -50…+100 1

Похибка вимірювання % 0,5 0,1 1/5

Число каналів – 6 3 1/2

Надійність (середнє

напрацювання на

відмовлення)

Годин 40000

50000

1,250

Напруга живлення В 220 220 1

Частота струму Гц 50 50 1

Споживана потужність Вт 12 9 1,3

31

Зв’язок з ПК – RS-232 RS-485 1/2

Довжина лінії зв’язку з

ПК М до 1000 до 1000 1

Тип лінії зв’язку – Вита

пара Вита пара 1

Швидкість передачі

даних бод

2400,

4800.

2400, 4800,

9600, 19200 0,5

Експлуатаційні витрати грн./ рік 2225,68 1483,12 1,5

Ціна грн. 4500 3000 1,5

Таким чином, нова розробка більш простіша у реалізації та більш

надійна, має значно більшу точність вимірювання, дешевша в порівнянні із

аналогом. Нова розробка буде основана на більш сучасній мікропроцесорній

техніці у порівнянні із аналогом, що надає їй деякий рівень інтелектуальності в

управлінні процесом стабілізації температури і буде виконувати всі основні

функції, що необхідні для автоматизації цього процесу.

2.4 Формування технічних вимог до системи

Назва виробу – мікропроцесорна система гарячого водопостачання.

Призначення виробу: вимірювання температури та передача інформації в

персональний комп’ютер (ПК).

Комплектність: конструктивно об’єднані вимірювальні перетворювачі і

блок вимірювання з виходом на ПК.

Технічні параметри:

- напруга живлення ....................................................................... 22010

15

В;

- частота кола живлення. .................................................................50 ±1 Гц;

- потужність споживання не більше ..................................................... 9 Вт;

- діапазон вимірюваних температур ....................................... -50...+1000 С

- уведення даних в комп’ютер ............................... через послідовний порт

32

- відстань від об’єкту вимірювання ................................................... 1000 м

- похибки вимірювання, % ........................................................................ 0,1

- імовірність прийняття помилкового рішення .................................. 0,001

- інтерфейс передачі даних ................................................................ RS-485

- кількість каналів ........................................................................................ 3

Вимоги до конструкції:

- зовнішній вигляд: стаціонарний приладний корпус прямокутної форми;

- стандартні елементи: радіодеталі;

- матеріали, які використовуються: в основному метал алюміній.

По захисту від дії зовнішнього середовища виконання блоків системи

наступні:

- вимірювальних перетворювачів – захищене від попадання в середину

виробу твердих матеріалів (пилі);

- блоку вимірювання і ПК – звичайне по ГОСТ 12997-84.

По стійкості до механічних дій виконання системи вібростійке групи L3

по ГОСТ 12997-84.

Система призначена для експлуатації при наступних умовах:

- температура навколишнього середовища ................. від -40 оС до 60

оС;

- відносна вологість повітря .................................................. від 30 до 90 %;

- атмосферний тиск .......................................................... від 84 до 106 кПа;

- вібрації частотою від 5 до 25 Гц з амплітудою не більше .......... 0,1 мм;

- відстань між системою і персональним комп’ютером по лінії

електричного зв’язку не менше .................................................................. 1000 м.

2.5. Прогноз величини попиту

33

Потенційними споживачами нової розробки будуть будь-які

підприємства, наприклад, тепличні господарства, ферми, промислові заводи, а

також не комерційні установи.

На сьогодні існує велика кількість закордонних аналогів, які мають

високу ціну та при цьому порівняно однакову якість, що робить розробку

системи конкурентоспроможною в порівнянні з аналогами.

Визначимо очікуваний попит на розробку. Як зазначено вище,

потенційними споживачами нової розробки будуть різного роду підприємства

та установи. На даний час по Україні таких користувачів може бути велика

кількість, так як впровадження системи опалення є, але не досить економне.

Приблизно 40 % споживачів не куплять розробку через наявність аналогу.

Приблизно ще 25 % через недостатнє фінансування також відмовляться від

продукту. [17]

Тоді очікуваний попит за перший рік буде розраховуватись за формулою

(2.1):

%100

%П

ПпПі

, (2.1)

де: П – середня кількість споживачів, які використовують товари

аналогічні розроблюваному;

Пп – середній відсоток споживачів, які зацікавляться придбанням

інноваційного продукту.

Отже, потреба в інноваційному продукті буде складати:

шті 420%100

)%2540100(1200П

.

Розрахуємо оптимістичний річний прогноз попиту на інноваційне

рішення за формулою (2.2):

34

Т

ПіОП , (2.2)

де Т - середній термін заміни інноваційного рішення;

Так як сучасні прилади в енергетичній галузі є актуальними близько

4 років, то протягом даного періоду часу споживачі не будуть робити

повторних купівель окрім витратних матеріалів. Виходячи з цього,

оптимістичний прогноз попиту на нову розробку буде складати:

)(1054

420ОП шт .

Розрахуємо песимістичний прогноз попиту на інноваційне рішення

розрахуємо за формулою (2.3).

%100ПП

СпОП , (2.3)

де Сп – середній відсоток споживачів, що захочуть придбати

розроблюваний товар повторно.

Отже, песимістичний прогноз попиту на нову розробку, складатиме:

)(16%100

%15105ПП шт

.

Розрахуємо за формулою (2.4), реалістичний річний прогноз попиту

інноваційного рішення:

2РП

ППОП . (2.4)

35

Спираючись на попередні розрахунки, ми можемо розрахувати

реалістичний прогноз попиту на нову розробку, який приблизно буде складати:

).(612

16105РП шт

.

Враховуючи, що розроблювальний прилад є вузькоспеціалізованим, має

велику кількість комплектуючих, які повинні періодично замінюватись,

показник реалістичного річного прогнозу попиту на нову розробку у 61

одиницю є достатньо високим.[18]

Проведемо приблизний розрахунок собівартості одиниці нового виробу. Для

цього скористаємося методом питомої ваги. Цей метод застосовується тоді, коли є

можливість розрахувати хоча б одну з прямих витрат та встановити питому вагу цієї

статті в собівартості аналога. Собівартість одиниці нової продукції S можна

розрахувати за формулою:

%

%100S Н

П

КBП , грн. (2.5)

де – величина однієї із статей прямих витрат, яка вибрана за основу;

– питома вага цієї статті витрат в собівартості аналога, %;

– коефіцієнт, який враховує конструктами та технологічні особливості

нової методики, Kn=1…1,2.

Собівартість складатиме:

3000%67,66

%1002000S Н

К (грн)

Величина капітальних вкладень визначається за формулою:

36

ЦBSABK , грн (2.6)

де В – коефіцієнт який враховує витрати на розробку, придбання,

транспортування, монтаж та налагодження нової розробки; В≈1,2÷2,0;

А – коефіцієнт, який враховує прогнозований прибуток та податки, які

повинен сплачувати виробник; А≈1,3÷2,3;

– собівартість нової розробки;

Ц – ціна реалізації нової розробки, якщо вона була визначена раніше,

грн.

Розрахуємо величину капітальних вкладень для нової розробки:

)(13800300023,22 грнK

Величина капітальних вкладень аналогу:

)(276001380021 грнK

Експлуатаційними витратами є такі витрати, які забезпечують нормальне

функціонування певного технічного рішення в період його експлуатації.

Величина експлуатаційних витрат в розрахунку за один рік може бути

спрогнозована за формулою:

,E k Ц k A S грн/рік (2.7)

де Ц – ціна реалізації нової розробки якщо вона була визначена раніше,

грн./шт.,

k – коефіцієнт який ураховує витрати на амортизацію,

електроенергію, обслуговування, ремонти тощо. В середньому, k =0,2÷0,8.

37

А – коефіцієнт який ураховує прогнозований прибуток та податки які

повинен сплачувати виробник; А ≈ 1,7÷2,3.,

– собівартість нової розробки, яка була с прогнозована приблизним

способом;

– доля часу який витрачає працівник на обслуговування технічної

або інтелектуальної розробки в загальному часі своєї роботи. β =0,2

Величина експлуатаційних витрат нової розробки:

55203000*1*3.2*8,02 E (грн/рік)

Величина експлуатаційних витрат аналогу:

66888360*1*8,01 E (грн/рік)

Для наглядного відображення механізму зіставлення капітальних та

експлуатаційних витрат аналога та нового пристрою ці показники зведемо в

таблицю 2.1.

Таблиця 2.1 – Показники аналогу та розроблюваного приладу

Показники Одиниці виміру Аналог Нова розробка

Капітальні

вкладення грн. 27600 13800

Експлуатаційні

витрати грн./рік 6688 5520

Кількість функцій шт.

5 6

Розрахуємо питомі капітальні вкладення:

для аналога: 55205

27600

1

1 Q

К (грн);

38

для нової розробки: 23006

13800

2

2 Q

К (грн)

Розрахуємо питомі експлуатаційні витрати:

для аналога: 13385

6688

1

1 Q

E (грн/рік)

для нового пристрою: 9206

5520

2

2 Q

E (грн/рік)

Оскільки співвідношення варіантів:

Тоді розрахуємо абсолютну економію як на питомих капіталовкладеннях

так і на питомих експлуатаційних витратах за формулами 2.9 та 2.10:

Як бачимо, нова розробка є високоефективною порівняно з аналогом,

оскільки забезпечує економію як на питомих капіталовкладеннях так і на

питомих експлуатаційних витратах

39

Тому зробивши техніко–економічне обґрунтування нової розробки можна

зробити висновок, що розробка даного пристрою буде доцільною.

40

3 РОЗРОБКА ЕЛЕКТРИЧНОЇ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

МІКРОПРОЦЕСОРНОЇ СИСТЕМИ ГАРЯЧОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ

В третьому розділі даного дипломного проекту буде розроблена структурна

схема мікропроцесорної системи гарячого водопостачання. Буде наведено два

варіанти структурних схем, порівнявши які, за певними критеріями та

охарактеризувавши їх, оберемо оптимальну структурну схему, на основі якої

буде розроблена схема мікропроцесорної системи гарячого водопостачання.

Електричні структурні схеми мікропроцесорної системи гарячого

водопостачання наведені на рисунку 3.1 та рисунку 3.2.

Розглянемо першу структурну схему, яка наведена на рисунку 3.1.

Ω

UΩ

T/# MCU RF

RF MCU I

Ω

UΩ

T/# MCU RF

Ω

UΩ

T/# MCU RF

К1

К2

К3

К4

КТ1

КТ2

Рисунок 3.1 - Перший варіант реалізації структурної схеми

мікропроцесорної системи гарячого водопостачання

Позначення на схемі на рисунку 3.1:

- /T – первинний перетворювач температури в опір;

- U/ – вторинний перетворювач опору в напругу;

- /# - аналого-цифровий перетворювач;

41

- RF – трансивер;

- K – ключ;

- КТ – котел;

- MCU – мікроконтролер;

- І – інтерфейс на частина.

Принцип роботи даної схеми полягає в наступному: по трьох каналах за

допомогою первинних вимірювального перетворювачей здійснюється

перетворення температури в опір, після чого сигнал поступає на вторинний

перетворювач, який перетворює опір в напругу. За допомогою аналогово-

цифрового перетворювача напруга перетворюється у цифровий код, який

поступає на вхід мікроконтролера. Дані з мікроконтролера поступають на

трансивер, який проводить обмін даними за допомогою радіо каналу. Дані від

вимірювального каналу поступають до центральної частини інформаційно-

вимірювальної системи, яка складається з трансивера, мікроконтролера та

інтерфейсної частини. Кожний із вимірювальних каналів має свою адресу.

Центральний мікроконтролер відповідно до програмного забезпечення

послідовно опитує вимірювальні канали, після чого отримує від них результати

вимірювання і керує чотирьома ключами та двома котлами.

Дана система не є досить швидкодіючою, а також має високу

собівартість, тому розглянемо інший варіант реалізації мікропроцесорної

системи гарячого водопостачання (рисунок 3.2).

42

T1

MCU

USART

RS 485

PC

АЦП

АЦП

USART

U1

U1

U11

1

T2

U2

U2

U22

2

T3

U3

U3

U33

3

АЦП

K1

K2K2

K3

K4

КТ1

КТ2

Рисунок 3.2 – Другий варіант реалізації структурної схеми


Схематичні позначення, що відображенні на рисунку 3.2:

– Т/– первинний перетворювач температури в опір;

– U/ – вторинний перетворювач опору в напругу;

– U/U – масштабний перетворювач напруги;

– MCU – мікроконтролер;

– АЦП – аналого-цифровий перетворювач;

– K – ключ;

– КТ – котел;

– USART – послідовний порт;

– RS485

USART - перетворювач;

– PC – персональний комп’ютер.

Принцип дії другої структурної схеми, що розробляється полягає в

наступному. Прилад вимірює температуру за допомогою первинних

43

перетворювачів температури в опір. Далі опір поступає на вторинний

перетворювач опору в напруги. З вторинного перетворювача напруга поступає

на масштабний перетворювач напруги, який масштабує подану напругу.

Вимірювана напруга перетворюється аналого-цифровим перетворювачем у

цифровий код, що надходить на мікроконтролер. Мікроконтролер, працюючи

по заданій програмі, керує станом виходів, обміном інформацією з інтерфейсу,

подає напругу на ключі та котли. Для передачі даних на велику відстань в даній

схемі використовуємо інтерфейс RS-485, який спеціально для цього

призначений. Згідно специфікації цього інтерфейсу, він має негативну логіку,

формат передачі даних – вісім або сім біт даних, один стартовий біт, два

стопових біта, біт парності. Сигнали передаються у вигляді струму по

двопровідній витій парі з екраном, відстань передачі даних – до 1000 метрів, що

цілком нам підходить. Керування мікроконтролером здійснюється ПЕОМ у

відповідності з програмою роботи системи через послідовний порт з

інтерфейсом RS-485.

При виборі оптимальної структурної схеми слід враховувати кількісні та

якісні характеристики кожної з них, а саме швидкодію, надійність передачі

даних, простоту реалізації, низьку собівартість, стабільність, точність.

Для того, щоб порівняти вище наведені структурні схеми занесемо

основні параметри системи до таблиці та порівняємо їх (таблицю 3.1).

Таблиця 3.1 – Порівняння структурних схем

Параметр Перший

варіант ІВС

Другий

варіант ІВС Ідеальна ІВС

1 Швидкодія 0 1 1

2 Надійність передачі

даних 0 1 1

3 Простота реалізації 0 1 1

4 Низька собівартість 0 1 1

44

Параметр Перший

варіант ІВС

Другий

варіант ІВС Ідеальна ІВС

5 Чутливість 1 0 1

6 Точність 0 1 1

7 ∑Е 1 5 6

Обрахуємо узагальнений коефіцієнт якості за наступною формулою:

ІС

ЕК І . (3.2)

Узагальнений критерій якості першої схеми:

17,06

11

К .

Узагальнений критерій якості другої схеми:

8,06

52

K .

Отже, з вищенаведеної таблиці порівняння бачимо, що критерій якості

другої схеми більший, ніж для першої структурних схем. Тому можна зробити

висновок, що для поставленої нами задачі найбільше підходить структурна

схема, представлена на рисунку 3.2.

Використаємо другу схему для побудови електричної принципової схеми

системи, що розробляється.

45

4 РОЗРОБКА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ

МІКРОПРОЦЕСОРНОЇ СИСТЕМИ ГАРЯЧОГО ВОДОПОСТАЧАННЯ

На основі обраної структурної схеми буде розроблена схема електрична

принципова, дана схема наведена в додатках.

До складу системи входять наступні структурні елементи:

- мікроконтролер ATmega8;

- датчик температури ПТ;

- інтерфейс обміну даними RS-485;

- джерело живлення;

- персональний комп’ютер.

Мікроконтролер, призначений для обробки вимірювальної інформації,

також він здійснює керування потоками інформації, забезпечення обміну

даними між окремими частинами засобу та зовнішніми пристроями. [7]

Інтерфейс RS-485 є важливим функціональним вузлом. Інтерфейсом

називають сукупність правил, протоколів, апаратного та програмного

забезпечення, призначених для обміну даними. З допомогою його інформація,

що знімається мікроконтролером і передається на ПК.

4.1 Вибір мікроконтролера

Мікроконтролер в ідповідає за керування вузлами структурної

схеми, проведення математичних обчислень та збереження даних[8].

В даному дипломному проекті оберемо мікроконтролер ATmega8 має 23

порту введення / виводу, об'єднаних в 3 групи:

Порт В (PB0 - РВ7): Два виводи (РВ6 і PB7) використовуються для

підключення кварцового резонатора. Виводи РВ2 - РВ5 зарезервовані для

внутрисхемного програмування. Таким чином, для загального застосування

залишаються порти PB0 і PB1.

46

Порт С (PC0 - РС6: 7 виводи): Порти PC0 - РС5 можна

використовувати в якості аналогових входів. РС6 зазвичай використовується

для скидання.

Порт D (PD0 - PD7: 8 виводи): Ці порти можна використовувати

для загального застосування.

Технічні характеристики:

- Пам'ять для програм становить 8 Кб з можливістю перезаписати

10000 раз;

- 512 байт флеш-пам'яті для зберігання змінних (100000 циклів

перезапису) ;

- 1 Кб ОЗУ і 32 регістра загального призначення;

- Два 8-розрядних Таймера / Лічильника з роздільним прескалером,

режим порівняння;

- 16-розрядний Таймер / Лічильник з роздільним прескалером, режим

порівняння, режим захоплення;

- Таймер реального часу з незалежним генератором;

- 3 каналу ШІМ;

- 6 каналів 10-розрядного АЦП;

- Двопровідний послідовний інтерфейс;

- Програмований послідовний USART;

- Інтерфейс SPI з режимами Master / Slave

- Програмований сторожовий таймер з окремим незалежним

генератором;

- Вбудований аналоговий компаратор;

- Скидання при включенні живлення, програмована захист від

провалів харчування;

- Вбудований калібрований RC-генератор;

- Обробка внутрішніх і зовнішніх переривань;

- 5 режимів зі зниженим енергоспоживанням: Idle, ADC Noise

Reduction, Power-save, Power-down, і Standby;

47

- Напруга живлення 4.5 - 5.5В;

- Тактова частота 0-16 МГц.

Живлення мікроконтролера ATmega8 представлена в таблиці 4.1. На

рисунку 4.1 зображено підключення мікроконтролера ATmega8.

Таблиця 4.1 – Живлення мікроконтролера ATmega8.

вивода Назва порта Тип Опис

7 VCC вхід напруга живлення від +4.5 до +5.5 В

8,22 GND вхід Загальний (земля)

20 AVcc вхід напруга живлення + 5 В для модуля АЦП

21 ARef вхід опорна напруга для АЦП

Схема підключення мікроконтролера ATmega8 представлена на рисунку

4.1

Рисунок 4.1 - Схема підключення мікроконтролера ATmega8

48

4.2 Вибір датчика температури

У якості первинного вимірювального перетворювача був використаний

термометр опору pt100 – термоперетворювач ТСП – 1288 (рисунок 4.2).

Принцип роботи термоперетворювачів опору заснований на залежності

електричного опору металу від температури. Чутливий елемент

термоперетворювача - котушка з тонкої мідної або платинового дроту на

каркасі з ізоляційного матеріалу, укладена в захисну гільзу (арматуру).

Рисунок 4.2 – Зовнішній вигляд термоперетворювача ТСП - 1288

Його характеристикою є зручність у використанні, а особливо швидкодія

перетворення, яка найкраще підходить для використання у розробці цього

пристрою. Основними параметрами датчика є:

- чутливий елемент виготовлений із платини;

- опір при 0°С дорівнює 100 Ом;

- абсолютна похибка датчика дорівнює ±0,5°С;

- розмір датчика: діаметр 4мм, довжина 30мм;

- поверхня із нержавіючої сталі;

- температурний коефіцієнт дорівнює 0,00428 °С-1

.

Потужність, споживана перетворювачем, не перевищує 0,25 Вт. Термін

служби перетворювача - не менше 12 років.

49

4.3 Вибір інтерфейсу

В даному дипломному проекті було обрано інтерфейс RS-485 який

забезпечує обмін даними між кількома пристроями по одній двухпровідній лінії

зв'язку в полудуплексном режимі. Широко використовується в промисловості

при створенні АСУ ТП.

RS-485 забезпечує передачу даних зі швидкістю до 10 Мбіт/с.

Максимальна дальність залежить від швидкості: при швидкості 10 Мбіт/с

максимальна довжина лінії - 120 м, при швидкості 100 кбіт / с - 1200 м.

Мережа, побудована на інтерфейсі RS- 485, являє собою приймачі,

з'єднані за допомогою витої пари - двох скручених проводів. В основі

інтерфейсу RS- 485 лежить принцип диференціальної( балансної) передачі

даних. Суть його полягає в передачі одного сигналу по двох проводах. Причому

по одному дроту(умовно A) йде оригінальний сигнал, а по іншому( умовно B) -

його інверсна копія. Іншими словами, якщо на одному дроті " 1 ", то на іншому

" 0 " і навпаки. Таким чином, між двома проводами витої пари завжди є різниця

потенціалів : при "1" вона позитивна, при "0" – негативна.

Саме цією різницею потенціалів і передається сигнал. Такий спосіб

передачі забезпечує високу стійкість до синфазної завади. Синфазної називають

перешкоду, що діє на обидва дроти лінії однаково. Наприклад, електромагнітна

хвиля, проходячи через ділянку лінії зв'язку, наводить в обох проводах

потенціал[10].

Рисунок 4.3 – Схема різниці потенціалів

50

Якщо сигнал передається потенціалом в одному дроті щодо загального,

як в RS- 232, то наводка на цей провід може спотворити сигнал відносно добре

поглинаючого наведення загального( "землі"). Крім того, на опорі довгого

загального дроту буде падати різниця потенціалів земель - додаткове джерело

спотворень. А при диференціальній передачі спотворення не відбувається.

Справді, якщо два дроти пролягають близько один до одного, та ще перевиті, то

наводка на обидва дроти однакова. Потенціал в обох однаково навантажених

проводах змінюється однаково, при цьому інформативна різниця потенціалів

залишається без змін.

Таблиця 4.1- Стандартні параметри інтерфейсів

Стандартні параметри інтерфейсів RS-422 RS-485

Допустима кількість передавачів / приймачів 1 / 10 32 / 32

Максимальна довжина кабелю 1200 м 1200 м

Максимальна швидкість зв'язку 10 Мбіт/с 10 Мбіт/с

Діапазон напруг "1" передавача +2...+10 В +1.5...+6 В

Діапазон напруг "0" передавача -2...-10 В -1.5...-6 В

Діапазон синфазного напруги передавача -3...+3 В -1...+3 В

Допустимий діапазон напруг приймача -7...+7 В -7...+12 В

Пороговий діапазон чутливості приймача ±200 мВ ±200 мВ

Максимальний струм короткого замикання

драйвера 150 мА 250 мА

Допустимий опір навантаження передавача 100 Ом 54 Ом

Вхідний опір приймача 4 кОм 12 кОм

Максимальний час наростання сигналу передавача 10% біта 30% біта

51

Термінальні резистори забезпечують узгодження "відкритого" кінця

кабелю з рештою лінією, усуваючи відображення сигналу. [11]

Номінальний опір резисторів відповідає хвильовому опору кабелю, і для

кабелів на основі витої пари зазвичай становить 100 - 120 Ом. Наприклад,

широко поширений кабель UTP - 5, використовуваний для прокладки Ethernet,

має імпеданс 100 Ом. Спеціальні кабелі для RS- 485 марки Belden 9841... 9844 -

120 Ом. Для іншого типу кабелю може знадобитися другий номінал. Резистори

можуть бути запаяні на контакти кабельних роз'ємів у кінцевих пристроїв.

4.4 Розробка схеми живлення

Для забезпечення високої стабільності та безперебійної роботи системи

живлення елементів має бути стабільним. В даному дипломному проекті було

обране живлення типу МС7805. [12]

Рисунок 4.4 – Схема включення джерела живлення

Джерело опорної напруги AD780 має такі технічні характеристики:

- відхилення напруги від опорного значення: ± 0,02 В;

- струм споживання 2 μА;

- діапазон струму навантаження: від 0 до 10 mА;

- температурний коефіцієнт вихідної напруги: 10-5

/ ºС [5].

53

5 РОЗРОБКА АЛГОРИТМІЧНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Мікропроцесорна система гарячого водопостачання повинна виконувати

наступні дії:

- вимірювати значення температури навколишнього середовища;

- вимірювати значення температури зворотної води контурів опалення і

гарячого водопостачання;

- відкривати/закривати крани прямої та зворотної води контурів

опалення та гарячого водопостачання в залежності від температури дачників

зворотної води;

- керувати котлами в залежності від температури дачників зворотної

води;

- в залежності від температури навколишнього середовища змінювати

значення температури опалення;

- обробляти отримані результати;

- передавати дані на персональний комп’ютер.

Дана мікропроцесорна система працюватиме за наступним алгоритмом:

- з трьох вимірювальних каналів температура перетворюється в

напругу, і поступає на операційний підсилювач, після підсилення напруга

надходить на АЦП, який здійснює перетворення аналогового сигналу в

цифровий код;

- після перетворення аналогової величини в цифровий код дані

подаються на мікроконтролер, який здійснює керування потоками інформації,

забезпечення обміну даними між окремими частинами мікропроцесорної

системи;

- за допомогою інтерфейсу обміну даних інформація передається до

персонального комп’ютера. [19]

Температура води гарячого водопостачання буде в діапазоні від +50 ˚C до

+70 ˚C.

54

Температура води опалення, буде залежити від температури

навколишнього середовища і котли будуть нагрівати воду, лише до

максимального значення в заданому таблицею діапазоні (таблиця 5.1).

Таблиця 5.1 – Залежність температури опалення від температури

навколишнього середовища

Температура води опалення, ˚C Температура навколишнього середовища, ˚C

+ 40 ≤ Т < + 60 + 3 < Т ≤ + 8

+ 45 ≤ Т < + 60 - 2 < Т ≤ + 3

+ 50 ≤ Т < + 60 - 7 < Т ≤ - 2

+ 55 ≤ Т < + 75 - 12 < Т ≤ - 7

+ 60 ≤ Т < + 75 - 17 < Т ≤ - 12

+ 65 ≤ Т < + 75 - 22 < Т ≤ - 17

+ 70 ≤ Т < + 90 - 27 < Т ≤ - 22

+ 75 ≤ Т < + 90 - 27 < Т ≤ - 32

+ 80 ≤ Т < + 90 Т ≤ - 32

На рисунку 5.1 зображена блок-схема алгоритму роботи мікроконтролера

для гарячого водопостачання.

Алгоритм роботи мікроконтролера гарячого водопостачання для всіх

портів, крім портів PC0, PC1, PB0, PB1, PD2 працює наступним чином:

мікроконтролер подачею сигналу на відповідні порти закриває ключі.

Обнуливши данні пам’яті зчитує дані, які надходять з термоперетворювача і

заносить їх до своєї пам’яті. Якщо температура T > 50 ˚C, закінчує роботу,

якщо T < 50 ˚C, подає сигнал на відповідний порт для нагріву води і припиняє

подачу сигналу на порти, які відповідають ключам, ключі відкриваються. Далі

нагрівається вода до 70 ˚C, як тільки вода нагрілася, припиняється нагрів води,

припинянням подачі сигналу на відповідний порт і подається сигнал на ключі,

які закриваються. При завершенні роботи мікроконтролер передає результат на

комп’ютер.

55

Початок

Надходження сигналу

„Пуск”

Кінець

Так

Ні

Подача сигналу на

порти PB2, PB4

Зчитування даних з

порта РС2

Температура > 50


порт PD3

Приринення подачі

сигналу на порти PB2,

PB4

Температура > 50

Ні

Так


сигналу на порт PD3


порти PB2, PB4

Рисунок 5.1 – Блок-схема алгоритму роботи мікроконтролера гарячого

водопостачання

56

Алгоритм роботи мікроконтролера опалення для всіх портів, крім

портів PC2, PB2, PB4, PD3 працює наступним чином: мікроконтролер подачею

сигналу на відповідні порти закриває ключі. Обнуливши данні пам’яті зчитує

дані, які надходять з термоперетворювачів і заносить їх до своєї пам’яті. Далі із

значенням температури навколишнього середовища вибирає діапазон,

відповідно таблиці 5.1. Якщо температура більша за нижній піддіапазон

таблиця, мікроконтролер закінчує роботу, якщо температура менша, подає

сигнал на відповідний порт для нагріву води і припиняє подачу сигналу на

порти, які відповідають ключам, ключі відкриваються. Далі нагрівається вода

верхнього вибраного піддіапазону, як тільки вода нагрілася, припиняється

нагрів води, припинянням подачі сигналу на відповідний порт і подається

сигнал на ключі, які закриваються. При завершенні роботи мікроконтролер

передає результат на комп’ютер (рисунок 5.2)

Мікропроцесорна система гарячого водопостачання передає результати

вимірювань до ПЕОМ, що значно полегшує керування технологічним процесом

та зберігання вимірювальної інформації. Персональний комп’ютер працює за

наступним алгоритмом:

- комп’ютер ініціалізує порт, до якого підключений вимірювальний

блок інформаційно-вимірювальної системи

- після коректної передачі даних комп’ютер обробляє вимірювальну

інформацію і відображає результат вимірювання на дисплеї;

- після цього комп’ютер подає запит до користувача про наступні дії;

- вимірювання, передача та обробка даних продовжується до тих пір,

поки користувачем не буде обрано команду про закінчення роботи[14].

Відповідно до описаного вище алгоритму на рисунку 5.3 наведено блок-

схема.

57

Початок

Надходження сигналу

„Пуск”

Кінець

Так

Ні


порти PB0, PB1

Зчитування даних з

порта РС0

Температура > нижній

піддіапазон?


порт PD2


сигналу на порти

PB0, PB1

Температура =

верхньому

піддіапазону?

Ні

Так


сигналу на порт PD3


порти PB2, PB4

Вибір діапазону темп.

відповідно темп. навк.

сер.

Рисунок 5.2 – Блок-схема алгоритму роботи мікроконтролера опалення

58

Ініціалізація порта

Прийом стартового біта

Початок

Обробка даних і

відображення

результату на дисплеї

Запит до користувача

про наступні дії

Прийняття рішення

про продовження

роботи

Так

Ні

Кінець

Рисунок 5.3 – Блок-схема алгоритму роботи персонального комп’ютера

Так як програма здійснює контроль температури, то вихідні дані

температури порівнюються з технічною нормою температури

мікропроцесорної системи гарячого водопостачання. В розділі було розроблено

алгоритми та блок-схеми роботи мікроконтролера та ПЕОМ, до якої

підключений вимірювальний блок мікропроцесорної системи гарячого

водопостачання. Програмне забезпечення мікроконтроллера наведено в

додатках дипломного проекту.

59

6 МЕТРОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рівняння перетворення визначається принципом пристрою

перетворювача або приладу і способом його включення. У аналогових

приладах, безпосередньої оцінки вихідною величиною є кут повороту стрілки.

Рівняння перетворення повністю характеризує призначення перетворювача,

його чутливість і діапазон виміру, а також вплив зовнішніх впливів. Це

рівняння може бути лінійним і нелінійним. Однак при поєднанні декількох

перетворювачів, наприклад у вимірювальному приладі, окремі перетворювачі

можуть бути взяті з нелінійними рівняннями перетворення, щоб отримати

лінійну залежність між вимірюваною і вихідний величинами приладу.

Рівняння перетворення пов'язує вхідну і вихідну величини з

конструктивними параметрами засобів вимірювань, що дозволяє встановити

можливі відхилення (похибки) реального рівняння перетворення від

градуювальної характеристики, викликані зміною конструктивних параметрів.

Статична характеристика - залежність сталих значень вихідної величини

від значення величини на вході системи.

Сталий режим - це режим, при якому розбіжність(розходження) між

дійсним значенням регульованої величини і її заданим значенням буде

постійним в часі.

Вхідна температура спочатку поступає на первинний перетворювач

температури в опір ТСП – 1288. Його рівняння перетворення виглядає

наступним чином:

де, – опір термоперетворювача при 0 °C, рівний 100 Ом;

– температурний коефіцієнт, який рівний 0,00428 °С-1

;

t – вхідна температура.

60

З термоперетворювача опір поступає на перетворювач опору в напругу.

Для виведення рівняння перетворення цього блоку скористаємося

незрівноваженим мостом постійного струму при живленні від 2-х генераторів

струму (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Неврівноважений міст постійного струму при живленні

від двох генераторів струму

В даній схемі струми I1 = I2 = I =58 mA.

За вихідну напругу Uвих приймаємо:

Uвих = U2 - U1 , (6.2)

де, U1 – напруга в точці 1.

U2 – напруга в точці 2.

U2 =І ( Rл2 + Rt + Rл3); (6.3)

U1 =І ( Rл1 + R0 + Rл3). (6.4)

Приймемо:

R0 RЛ 2

RЛ 1 Rt

Uв и х

RЛ 3

I1 I2

1 2

3

61

Rл1 = Rл2= Rл3=R. (6.5)

Підставивши формулу (6.1) в (6.5) отримаємо:

U2 =І ( 2R + R0 (1+t)); (6.6)

U1 =І ( 2R + R0); (6.7)

Uвих = ІR0 t. (6.8)

З виразу (6.8) слідує що, напруга між точками 2 і 1 вихідної діагоналі

моста лінійно залежить від температури t термометру опору.

Далі напруга поступає на операційний підсилювач, який підсилює

температуру в 2 рази, тобто K=2, тому що на вхід мікроконтролера можна

подати напругу до 5 В, підставивши значення в рівняння 6.8 матимемо

максимальну вихідну напругу 2,5 В, для покращення метрологічних

характеристик був додатково поставлений операційний підсилювач.

З виходу операційного підсилювача напруга поступає на мікроконроллер,

який має рівняння перетворення:

де, U – напруга, яка поступає на мікроконроллер;

– номінальна напруга мікроконроллера, рівна 5 В;

n – розрядність мікроконроллера, так як ми обрали мікроконроллер

Atmega8, n=8.

Підставивши формулу (6.8) в (6.9) і врахувавши коефіцієнт операційний

підсилювач отримаємо рівняння перетворення вимірювального каналу:

62

де, I=58 mA;

R0=100 Oм;

α=0,00428 °С-1

;

n=8;

К=2;

U0= 5 B.

Вхідна температура t знаходиться в межах від 0 °С до 100 °С.

Отримане рівняння є загальним рівнянням перетворення

мікропроцесорної системи гарячого водопостачання.

Графічне представлення рівняння перетворення зображено на

рисунку 6.2.

Рисунок 6.2 – Графічне представлення рівняння перетворення


Із отриманого рівняння перетворення можна вивести похибку

квантування, що матиме вигляд:

63

.%1001

l

квN

(6.11)

Графічне подання похибки квантування мікропроцесорного приладу для

вимірювання рівня рідини зображене на рисунку 6.3.

Рисунок 6.3 – Графічне представлення похибки квантування


В загальному вигляді функція перетворення має вигляд:

),,( fxyy (6.12)

де у – вихідна величина засобу вимірювань;

х – вхідна величина;

f – впливні величини.

Розкладемо дану функцію в ряд Тейлора і отримаємо:

....2

1

...6

1

2

1

2

0

2

2

00

2

3

0

3

32

0

2

2

0

0

ff

yf

f

yfx

fx

y

xx

yx

x

y

x

yyy

(6.13)

64

Індекс «0» біля частинних похідних показує, що вони визначаються для

значень впливних величин, які відповідають нормальним умовам 0ff (умовам

градуювання).

Проаналізуємо складові рівняння (6.13): 0y - вільний член розкладу, який

дорівнює у при х=0 і .

Номінальний коефіцієнт перетворення або чутливість:

.0

0

Sx

y

(6.14)

Зміна чутливості в діапазоні перетворення:

;2

10

0

2

2

Sx

y

(6.15)

.6

103

3

Sx

y

(6.16)

Коефіцієнти впливу впливних величин на вихідний параметр у:

;0

0

f

y

(6.17)

.2

10

0

2

2

f

y

(6.18)

Коефіцієнт впливу виливних величин на номінальну чутливість 0S :

.0'

0

2

Sfx

y

(6.19)

65

З урахуванням прийнятих позначень рівняння перетворення представимо

у вигляді:

,...... 2

000

3

0

2

000 fffxxSxSxSyy (6.20)

де, 0

2

00 SxSxSy – номінальна функція перетворення;

3

0

2

0 xSxSyн – похибка не лінійності номінальної функції

перетворення;

fx 0м

y – мультиплікативна похибка перетворення в умовах

зміни f0 на величину f , тобто зміна чутливості на величину ;

2

00 ffya – адитивна похибка перетворення в умовах зміни

f0 на величину ,f тобто зміна у0 під дією впливних величин [9].

Розрахуємо номінальний коефіцієнт перетворення або чутливість за

формулою (3.3):

t

q

n

NS

0 . (6.21)

Зміна чутливості в діапазоні перетворення за формулою (3.4):

02

2

02

n

NS . (6.22)

Адитивна похибка перетворення представлена на рисунку 6.4.

66

Рисунок 6.4 – Графічне представлення адитивної похибки перетворення

Мультиплікативна похибка перетворення (рисунок 6.5):

Рисунок 6.5 – Графічне представлення мультиплікативної похибки

перетворення

67

7 ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА

При виробництві мікропроцесорної системи гарячого водопостачання

найбільш реальним є випадок, коли ініціатива розробки і створення нової

техніки виходить від виробника, який залучає для розробки свої власні кошти і

діє на свій страх і ризик. Альтернативною стороною виступає споживач, який

може купити або не купити новий пристрій.

Інтереси виробника будуть задоволені тільки в тому випадку, коли

споживач купить запропоновану продукцію. Інтереси споживача будуть

задоволені, коли куплена ним продукція буде кращою, ніж існуюча.

На сучасному етапі розвитку науки і техніки у мікропроцесорних системах

гарячого водопостачання існує проблема по вимірюванню та регулюванню

температури, з зниженням споживаної потужності самих приладів, що приведе

до зменшення витрат на опалення і водопостачання, що в свою чергу приведе

до зниження собівартості опалення і гарячого водопостачання. Також в наш час

потрібні прилади які можуть здійснювати передачу IВМ–сумісної ЕОМ

інформації про значення контрольованих температур, заданих настройок,

коефіцієнтів регулювання, і приймають від неї дані на зміну цих параметрів.

В наш час розвитку науки і техніки cеред широкого різновиду вимірювальних

параметрів одним із основних являється температура. Її вимірювання необхідне

у всіх складних технологічних процесах. Великий різновид сенсорів

температури, які працюють на різних фізичних принципах і виготовлених із

різних матеріалів, дозволяє вимірювати її навіть в самих важкодоступних

містах там, де інші параметри виміряти неможливо. Так наприклад, в активній

зоні атомних реакторів встановлені тільки сенсори температури, вимірювання

якої дозволяє оцінити інші теплоенергетичні параметри, такі як тиск, густина,

рівень теплоносія і т.д.

Температура є однією з найбільш часто вимірюваних фізичних величин.

Повнота та достовірність отримуваної інформації про температуру завжди мали

68

велике значення в багатьох технологічних процесах, особливо, коли йде мова

про передачу інформації на відстань.

На даний час ринок сучасної техніки має переважно іноземну техніку

провідних іноземних фірм і компаній. Майже всі іноземні фірми, що існують на

сьогодні на українському ринку пропонують досить якісне і надійне

обладнання і пристрої, але за досить високими цінами, що поки не влаштовує

господарство України. На сьогоднішній день дана проблема вирішується

шляхом створення нового сучасного обладнання, але вже вітчизняного

виробництва, яке буде не менш якісним, але більш дешевим. Це дасть

можливість переобладнати та переоснастити технологічні процеси із значною

економією фінансів. Хоча дана проблема вже відносно давно стоїть на шляху

розв’язання, але все ж таки ще не вирішена. Тому ще й досі стоїть питання

створення сучасного і надійного вітчизняного обладнання.

Для оцінювання комерційного потенціалу розробки проведемо технічний

аудит, який буде складатися з 5 незалежних експертів: керівник магістерської

роботи Возняк О.М. та завідувач кафедри МПА Кучерук В.Ю., начальник

метрологічного відділу ПАТ «ROSHEN» Пундик В.М., начальник

метрологічного відділу ПАТ «Маяк» Тєиєв В. В., начальник геометричного

відділу ДП «Вінницький науково-виробничий центр

стандартизації, метрології та сертифікації» Левчук Г. М.

Оцінювання комерційного потенціалу розробки здійснюється за десятьма

критеріями, наведеними в таблиці 7.1.

Результати оцінювання комерційного потенціалу розробки виведені в

таблиці 7.2.

Маючи результати оцінювання потрібно зробити висновок про рівень

комерційного потенціалу розробки. Скористаємося при цьому рекомендаціями,

поданими в таблиці 7.3.

69

Таблиця 7.1 – Рекомендовані критерії оцінювання комерційного

потенціалу розробки та їх можлива бальна оцінка

Бали (за 5-тн бальною шкалою)

Кр

ите

рій

0 1 2 3 4

1 2 3 4 5 6

Технічна здійсненність концепції

1

Достовірність

концепції не

підтверджена

Концепція


експертними

висновками

Концепція


розрахунками

Концепція

перевірена на

практиці

Перевірено

працездатність

продукту в

реальних

умовах

Ринкові переваги (недоліки):

2

Багато

аналогів на

малому ринку

Мало аналогів

на малому

ринку

Кілька аналогів

на малому

ринку

Один аналог

на великому

ринку

Продукт не має

аналогів на

великому

ринку

3

Ціна продукту

значно вища

за ціни

аналогів


дещо вища за

ціни аналогів


приблизно

дорівнює цінам

аналогів


дещо нижча за

ціни аналогів


значно нижча

за ціни

аналогів

4

Технічні та

споживчі

властивості

продукту

значно гірші

ніж в аналогів


споживчі


продукту

трохи

гірші, ніж в

аналогів


споживчі


продукту на

рівні аналогів


споживчі


продукту

трохи кращі



споживчі


продукту

значно кращі,


70

5


витрати значно

виші, ніж в

аналогів


витрати дещо

вищі, ніж в

аналогів


витрати на рівні

експлуатаційних

витрат аналогів


витрати трохи

нижчі, ніж в

аналогів


витрати значно

нижчі, ніж в

аналогів

Ринкові перспективи

6

Ринок малий і

не має

позитивної

динаміки

Ринок малий,

але має

позитивну

динаміку

Середній ринок

3 позитивною

динамікою

Великий

стабільний

ринок

Великий ринок

з позитивною

динамікою

7

Активна

конкуренція

великих

компаній

ринку

Активна


Помірна


Незначна


Конкурентів

немає

Продовження таблиці 7.1

1 2 3 4 5 6

Практична здійсненність

8

Потрібні значні

фінансові

ресурси, які

відсутні.

Джерела

фінансування

ВІДСУТНІ

Потрібні

незначні

фінансові

ресурси

Джерела


відсутні

Потрібні

значні

фінансові

ресурси.

Джерела


відсутні

Потрібні

значні

фінансові

ресурси

Джерела


є

Не потребує

додаткового


71

9

Термін

реалізації ідеї

більший за 10

років

Термін


більший за 5

років. Термін

окупності

інвестицій

більше 10 років

Термін


від 3-х до 5-ти


окупності


більше 5

років

Термін


менше 3-х

років.

Термін

окупності

інвестицій від

3-х до 5-ти

років

Термін


менше 3-х


окупності


менше 3-х

років.

10

Необхідна

розробка

регламентних

документів та

отримання

великої

кількості

дозвільних

документів на

виробництво та

реалізацію

продукту

Необхідне

отримання

великої

КІЛЬКОСТІ


документів на

виробництво та

реалізацію

продукту, що

вимагає

значних коштів

та часу

Процедура

отримання


документів

для

виробництва

та реалізації

продукту

вимагає

незначних

коштів та

часу

Необхідне

тільки

повідомлення

відповідним

органам про

виробництво

та реалізацію

продукту

Відсутні

будь-які

регламентні

обмеження на

виробництво

та реалізацію

продукту

72

Таблиця 7.2 – Результати оцінювання комерційного потенціалу розробки

Критерії

Експерти

Експерт 1 Експерт 2 Експерт 3 Експерт 4 Експерт 5

Бали. виставлені експертами

1 2 3 3 2 2

2 4 3 3 3 3

3 3 4 3 3 3

4 2 3 2 3 3

5 3 4 4 3 3

6 5 5 4 5 5

7 4 4 5 5 4

8 2 3 2 1 2

9 4 3 3 4 4

10 2 2 2 2 1

Сума балів

(СБ) СБ1 = 31 СБ2 = 34 СБ3 = 31 СБ4 = 31 СБ5 = 30

Сер.Арифм.

СБ

Таблиця 7.3 – Рівні комерційного потенціалу розробки

Середньоарифметична сума балів

СБ, розрахована на основі

висновків експертів

Рівень комерційного потенціалу

розробки

0 – 10 Низький

11 – 20 Нижче середнього

21 – 30 Середній

31 – 40 Вище середнього

41 – 48 Високий

73

Отже, можна зробити висновок, що рівень комерційного потенціалу

розробки вище середнього.

На сучасному етапі розвитку науки і техніки у мікропроцесорних

системах гарячого водопостачання існує проблема по вимірюванню та

регулюванню температури, з зниженням споживаної потужності самих

приладів, що приведе до зменшення витрат на опалення і водопостачання, що в

свою чергу приведе до зниження собівартості опалення і гарячого

водопостачання.

Оскільки на українському ринку немає аналогів у вільному доступі, тому

практично неможливо порівняти характеристики даної розробки з

конкурентами.

Поки що не проводилась робота щодо просування роботи на ринок, та її

практичне використання. Для реалізації запропонованої ідеї потрібно залучити

кошти для розробки програмного забезпечення, а також експертів в галузі

розпізнавання для оцінки адекватності розробки на кожному етапі

проектування.

.0 грнtТ

МЗ

Р

(7.1)

де М – місячний посадовий оклад конкретного розробника, грн;

ТР – кількість робочих днів у місяці, ТР = 2123 дні;

t – кількість днів роботи розробника.

Таблиця 7.4 – Розрахунок основної заробітної плати розробників

Найменування

посади

Місячний

посадовий

оклад, грн.

Оплата за

робочий

день, грн.

Кількість

днів роботи

Витрати на

заробітну

плату, грн.

Керівник 4200 200 21 4200

74

дипломного

проекту

Консультант з

економічної

частини

3150 150 14 2100

Технік 2730 130 5 650

Інженер 2730 130 100 13000

ВСЬОГО З0 = 19950

Додаткова заробітна плата ЗД всіх розробників та робітників, які були

задіяні у розробці дослідного зразка плата розраховується як 10...12% від

основної заробітної плати всіх розробників та робітників.

ЗД = 0.1 · З0; (7.2)

ЗД = 0.1 · (З0 + ЗР) = 0.1 ·19950 = 1995 грн.

Нарахування на заробітну плату (НЗП) розробників та робітників, які були

задіяні у розробці дослідного зразка. З 1.01.2011 року ставка єдиного внеску на

загальнообов’язкове державне соціальне страхування встановлена залежно від

класу професійного ризику виробництва. Дана розробка виконана в межах

виконання дипломної роботи у Вінницькому національному технічному

університеті, тому відноситься до 3 класу професійного ризику. Отже β = 36,78

% = 0,3678 ~ 0,37.

НЗП = 0.37 · (З0 +ЗД); (7.3)

НЗП = 0.37 · (З0 + ЗД) = 0.37 · (19950+1995) = 8120 грн.

Амортизація основного обладнання, яке використовувалось для

досліджень, та приміщення спрощеному по кожному виду обладнання та

приміщенням можна розрахувати за формулою

75

,.12100

грнТНЦ

A а

(7.4)

де Ц – балансова вартість даного виду обладнання (приміщень), грн.;

На – річна норма амортизаційних відрахувань для даного виду

обладнання (приміщень), %: для електронних, оптичних, електромеханічних

приладів та інструментів, електронно-обчислювальних машин, інформаційних

систем, телефонів, мікрофонів, конторського обладнання – 25%;

для приміщень – 8%;

Т – термін використання обладнання (приміщень), цілі місяці.

Всі проведені розрахунки амортизаційних відрахувань заносимо в

таблицю 7.5

Таблиця 7.5 – Розрахунок амортизаційних відрахувань

Найменування

обладнання,

приміщень

Балансова

вартість,

грн.

Норма

амортизаці

ї, %

Термін

використання,

міс.

Величина

амортизаційних

відрахувань,

грн.

ЕОМ 3500 25 3 220

Приміщення 250000 8 3 5000

ВСЬОГО А = 5220

Інші витрати Він охоплюють: витрати на управління організацією, оплата

службових відряджень, витрати на опалення, освітлення, водопостачання,

охорону праці тощо. Інші витрати можна прийняти як (100…300)% від суми

основної заробітної плати розробників та робітників, які виконували дану НДР.

Приймемо значення цих витрати рівним 120%. Отже, отримаємо наступну

формулу:

76

(7.5)

Сума всіх попередніх статей витрат дає витрати на виконання даної

частини НДР – В.

В=19950+1995+8120+5220+23940=59225 грн.

2-й етап: розрахунок загальних витрат на виконання даної НДР. В даному

випадку нами буде виконано 80% роботи, тому частка витрат:

(7.6)

3-й етап: прогнозування загальних витрат на виконання та впровадження

результатів НДР. Прогнозування загальних витрат ЗВ на виконання та

впровадження результатів виконаної НДР здійснюється за формулою:

(7.7)

де β – коефіцієнт, який характеризує етап виконання даної НДР. В даному

випадку робота знаходиться на стадії розробки дослідного зразка, отже, β = 0,5.

Отже, маємо:

77

Далі розраховуємо, яку вигоду можна отримати в майбутньому від

впровадження результатів виконаної наукової роботи. Планується, що

виконання та впровадження даної розробки займе 2 роки. І основні позитивні

результати очікуються через 2 роки.

Коли неможливо прямо оцінити зростання чистого прибутку

підприємства від впровадження результатів наукової розробки, збільшення

чистого прибутку ΔПі для кожного з років, протягом яких очікується

отримання позитивних результатів від впровадження розробки, розраховується

за формулою:

(7.8)

де ΔПя – покращення основного оціночного показника від впровадження

результатів розробки у даному році. Зазвичай таким показником може бути

ціна одиниці нової розробки;

N – основний кількісний показник, який визначає діяльність

підприємства у даному році до впровадження результатів наукової розробки;

ΔN – покращення основного кількісного показника діяльності

підприємства від впровадження результатів розробки;

Цо – основний оціночний показник, який визначає діяльність

підприємства у даному році після впровадження результатів наукової розробки;

n – кількість років, протягом яких очікується отримання позитивних

результатів від впровадження розробки;

λ – коефіцієнт, який враховує сплату податків на додану вартість. У

2014- 2015 рр. ставка податку на додану вартість дорівнює 20%, а коефіцієнт

= 0,8333;

ρ – коефіцієнт, який враховує рентабельність продукту. В даному

випадку ρ = 0,1;

78

υ – ставка податку на прибуток. У 2015 році υ = 18%.

Аналіз ринку вимірювальної техніки показав, що ціна аналогу становить

приблизно 2500 грн., і попит на нього становить в середньому 1000 шт. за рік.

Даною розробкою можуть зацікавитись теплоенерго, заводи, фабрики. Ціна

розробки в результаті її вдосконалення збільшиться на 700 грн. Кількість

одиниць реалізованої продукції протягом року збільшиться на 400 шт., а

протягом другого ще на 200 шт., протягом третього – на 100 шт. Реалізація

продукту до впровадження результатів становила 1300 шт., а її ціна 3000 грн.

Збільшення чистого прибутку розробників від впровадження результатів

наукової розробки у кожному році відносно базового складе:

Розрахований вищенаведений ефект від можливого впровадження

розробок ще не означає, що ця розробка реально буде впроваджена. Якщо

збільшення прогнозованого прибутку від впровадження результатів наукової

розробки є вигідним для підприємства, то це ще не означає, що інвестор

погодиться вкладати кошти у реалізацію даної наукової розробки тільки за

певних умов.

Основними показниками, які визначають доцільність фінансування

наукової розробки певним інвестором, є абсолютна і відносна ефективність

вкладених інвестицій та термін їх окупності.

Розрахунок ефективності вкладених інвестицій передбачає проведення

таких робіт:

79

1-й крок. Розраховують теперішню вартість інвестицій PV , що

вкладаються в наукову розробку. Такою вартістю можемо вважати

прогнозовану величину загальних витрат ЗВ на виконання та впровадження

результатів НДР, розраховану нами раніше за формулою (7.7), тобто будемо

вважати, що:

ЗВРV 5,2 . (7.9)

3701505,2148060 РV грн.

2-й крок. Розраховують очікуване збільшення прибутку iП , що його

отримає підприємство від впровадження результатів наукової розробки, для

кожного із років, починаючи з першого року впровадження. Таке збільшення

прибутку також було розраховане нами раніше за формулою (7.8).

3-й крок. Для спрощення подальших розрахунків будують вісь часу, на

яку наносять всі платежі (інвестиції та прибутки), що мають місце під час

виконання науково-дослідної роботи та впровадження її результатів.

Платежі показуються у ті терміни, коли вони здійснюються.

Загальні витрати ЗВ на виконання та впровадження результатів НДР

дорівнює 148060 грн. Результати вкладених у наукову розробку інвестицій

почнуть виявлятися через 1 рік. В першому році підприємство отримає

збільшення чистого прибутку на грн., в другому на ., в третьому

– грн.

80

Рисунок 7.1 – Вісь часу з фіксацією платежів, що мають місце під час

розробки та впровадження результатів НДР

4-й крок. Розраховують абсолютну ефективність вкладених інвестицій

абсЕ . Для цього користуються формулою:

)( РVППЕабс , (7.10)

де ПП – приведена вартість всіх чистих прибутків, що їх отримає

підприємство від реалізації результатів наукової розробки, грн.;

PV – теперішня вартість інвестицій 370150РV , грн.

У свою чергу, приведена вартість всіх чистих прибутків ПП

розраховується за формулою:

T

lt

іППП

)1( , (7.11)

де iП – збільшення чистого прибутку у кожному із років, протягом яких

виявляються результати виконаної та впровадженої НДР, грн.;

T – період часу, протягом якого виявляються результати

впровадженої НДР, роки;

– ставка дисконтування, за яку можна взяти щорічний

прогнозований рівень інфляції в країні; для України цей показник знаходиться

на рівні 0,1;

t – період часу (в роках) від моменту отримання чистого прибутку до

точки «0».

Якщо 0абсЕ , то результат від проведення наукових досліджень та їх

впровадження буде збитковим і вкладати кошти в проведення цих досліджень

ніхто не буде.

81

Якщо 0абсЕ , то результат від проведення наукових досліджень та їх

впровадження принесе прибуток, але це також ще не свідчить про те, що

інвестор буде зацікавлений у фінансування даного проекту.

Розрахуємо абсолютну ефективність інвестицій, вкладених у реалізацію

проекту. Домовимося, що ставка дисконтування 1,0 .

459000)1,01(

239157

)1,01(

213875

)1,01(

163310432

ПП грн.

Тоді

320000148060459000 абсЕ грн.

Оскільки 0абсЕ , то результат від проведення наукових досліджень та їх

впровадження принесе прибуток.

5-й крок. Розраховуємо відносну щорічну ефективність вкладених в

наукову розробку інвестицій ВЕ .

11 ЖТ абсВ

ЗВ

ЕЕ , (7.12)

де абсЕ – абсолютна ефективність вкладених інвестицій, грн.;

ЗВ – теперішня вартість інвестицій, грн.;

ЖТ – життєвий цикл наукової розробки, роки.

.33,01148060

32000014 ВЕ

82

Далі, розрахована величина Ев порівнюється з мінімальною ставкою

дисконтування, яка визначає ту мінімальну дохідність, нижче за яку інвестиції

вкладатися не будуть. У загальному вигляді мінімальна ставка дисконтування

визначається за формулою:

fd min , (7.13)

де d – середньозважена ставка за депозитними операціями в комерційних

банках; в 2015 році в Україні d = (0,14…0,2);

f – показник, що характеризує ризикованість вкладень; зазвичай

величина f =(0,05…0,1), але може бути і значно більше.

Нехай в даному випадку min =0,2 + 0,08 = 0,28.

Оскільки %33ВЕ > %28min , то у інвестора буде зацікавленість

вкладати гроші в розробку, оскільки він отримає від цього достатні прибутки.

83

ВИСНОВОК

Виходячи з отриманого індивідуального завдання, у даній магістерській

роботі була розроблена мікропроцесорна система гарячого водопостачання.

Дана мікропроцесорна система призначена для регулювання центральних і

локальних систем опалення та гарячого водопостачання в житлових будинках, в

установах, промислових будівлях і т. д.

В ході виконання магістерської роботи було розглянуто основні поняття

про температуру та перетворювачів температури, проведено огляд методів та

засобів вимірювань температури, здійснено їх аналіз, та обрано потрібні засоби

для виконання поставленої задачі.

Розроблена система складається з наступних блоків: мікроконтролера

ATmega8, інтерфейсу обміну даними RS-485, датчика температури ПТ, джерела

живлення та персонального комп’ютера.

В роботі розроблено електричну структурну та електрично-принципову

схеми мікропроцесорної системи гарячого водопостачання.

Проведено технічне обґрунтування доцільності розробки, де було

представлено кілька варіантів структурних схем, а також порівняння нової

розробки з аналогом. Проаналізувавши принцип дії кожної схеми було обрано

оптимальний варіант, на базі якого було розроблено електричну принципову

схему, для вирішення поставленого завдання. В процесі виконання

магістерської роботи було розроблено програмне забезпечення та проведено

розрахунки метрологічних характеристик.

Також в даній роботі було проведено розрахунки кошторису на

виробництво мікропроцесорної системи гарячого водопостачання її

собівартість та термін окупності, які підтвердили, що впровадження нової

розробки є економічно вигідним та доцільним.

1 ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ПРО...

Documents