Pеферат
Зміст
Введення
Прилад призначений контролювати параметри повітря, діоксид вуглецю та показувати їх концентрацію і темп дихання на індикаторі відображення інформації, допомагаючи рятувальникам та працівникам відстежувати поточний стан людини.
1. Актуальність
У нашому регіоні з добре розвиненою системою вугільної промисловості, все більше стає актуально обладнання індивідуального захисту, в тому числі і автономних ізолюючий дихальних апаратів. Під час аварій на вугільно видобувних підприємствах, часто буває так, що повітря, яким дихають шахтарі або рятувальники, сильно забруднений метаном, вугільним пилом і т.д. і т.п. У таких випадках якраз і варто застосовувати індивідуальні засоби захисту. Розроблюваний прилад повинен контролювати параметри діоксиду вуглецю і показувати їх концентрацію, і темп дихання на індикаторі відображення інформації, допомагаючи рятувальникам та працівникам відстежувати поточний стан людини.
2. Мета і завдання
Метою розробки є зменшення часу підготовки до використання та відображенні отриманої інформації вимірювання та інтеграція нових технічних елементів. Прилад призначений для вимірювання концентрації діоксиду вуглецю гірничорятувального обладнання. Прилад повинен складатися з наступних частин: – канал вимірювання оптичної проби, призначений для вимірювання концентрації діоксиду вуглецю; – мультиплексор аналогових сигналів, призначений для почергового підключення вимірювальних каналів до входу цифрової частини приладу; – аналого-цифровий перетворювач; – мікропроцесорний блок, призначений для визначення концентрації вимірюваного речовини і виведення результату на індикацію.
3. Завдання аналізу
1. Проаналізувати існуючі методи і засоби вимірювання концентрації оксиду вуглецю, вибрати метод, що володіє високою точністю і вибірковістю. 2. Розробка математичної моделі дихального апарату 3. Розробити математичну модель системи вимірювання. 4. Дослідити функції математичної моделі системи вимірювання з включенням моделі дихального апарату. 5. Дослідити принципову схему приладу контролю діоксиду вуглецю структурі випробування гірничорятувального обладнання.
4. Аналіз роботи
Для реалізації методу в структурній схемі передбачений джерело вузькосмугового випромінювання зі спектром випромінювання збігається зі спектром поглинання діоксиду вуглецю, оптична схема, в якій забезпечується опромінення газоповітряної суміші, фотоприймач, що забезпечує перетворення потоку оптичного випромінювання в сигнал зручний для подальшої обробки з виділенням інформації про концентрації діоксиду вуглецю. Для зниження рівня шумів фотоприймача і пристрої обробки сигналу передбачається модуляція оптичного потоку. Для реалізації модуляції в структурній схемі передбачається розрахунок вихідного сигналу вимірювального перетворювача концентрація напруги, виконані в прикладному пакеті Matchcad.
Рисунок 4.1 – Узагальнена структурна схема приладу контролю діоксиду вуглецю.(Анімація: 15 кадрів, 5 циклів повторення, 152 кілобайт)
ИП – джерело живлення.
Ген.НЧ – використовується для генерації синусоїдальних сигналів.
– джерело випромінювання.
– газова кювету, робоча і порівняльні кювети.
ФПР – пристрій перетворення вхідних сигнали від первинних датчиків в уніфіковані сигнали стандартних діапазонів.
RC-Ус – для посилення отриманих сигналів від НП.
Пред.ус.ф. – передпідсилювач фотоструму.
Д – для перетворення модульованих коливань несучої частоти в коливання з частотою модулюючого сигналу.
НПР. – нормуючий перетворювач.
ФНЧ – використовується для пропускання низькочастотних складових спектра проходить через нього сигналу і послаблює високочастотні.
МАС – мультиплексор.
АЦП – для перетворення аналогового сигналу в цифровий.
МПС – мікроконтролер.
ДОИ – для відображення оброблених сигналів.
– джерело випромінювання.
– газова кювету, робоча і порівняльні кювети.
ФПР – пристрій перетворення вхідних сигнали від первинних датчиків в уніфіковані сигнали стандартних діапазонів.
RC-Ус – для посилення отриманих сигналів від НП.
Пред.ус.ф. – передпідсилювач фотоструму.
Д – для перетворення модульованих коливань несучої частоти в коливання з частотою модулюючого сигналу.
НПР. – нормуючий перетворювач.
ФНЧ – використовується для пропускання низькочастотних складових спектра проходить через нього сигналу і послаблює високочастотні.
МАС – мультиплексор.
АЦП – для перетворення аналогового сигналу в цифровий.
МПС – мікроконтролер.
ДОИ – для відображення оброблених сигналів.
5. Зовнішній вигляд пристрою
Згідно з технічними даними завданням, і розглянутими аналогами нашого приладу параметри повинні бути виготовлений у вигляді блоку з габаритами 50 X 100 X 50 мм. Корпус з поліамідної пластмаси. Маса не повинна бути мінімально і не перевищувати 100 м Конструктивне виконання приладу приведено на рис. 5.1.
Рисунок 5.1 – конструктивне виконання приладу А) обчислювальна частина Б) виносний модуль.
жк-дисплей; 2 – вхід робочої кювети для проби; 3 – вихід робочої кювети утилізація проби, 4 – елементи підстроювання, 5 – кнопка включень/виключення живлення, 6 – місце установки елемента живлення, 7 – вхід/вихід для шини
Рисунок 5.2 – Візуальне уявлення проектованого приладу контролю діоксиду вуглецю конструктивне виконання приладу А) обчислювальна частина Б) виносний модуль з ПІП. з'єднаних через шину. (анімація: 10 кадрів, 5 циклів повторення, 123 кілобайт)
Рисунок 5.3 – Внутрішнє розташування вузлів проектованого пристрою вимірювання діоксиду вуглецю.
5.1. Оцінка метрологічніх характеристик вімірювача концентрації вуглецю, методом математичного моделювання.
У процесі розробки пристрою виникає потреба виявленні похибок вимірювання і поліпшення показників проектованого пристрою, для цього застосовують методи математичного моделювання.
Рисунок 5.4 – Структурна модель розроблюваного устрою контролю діоксиду вуглецю.
ПИП – первинний вимірювальний перетворювач.
УОАС – пристрій обробки аналогового сигналу.
ОУЦС – пристрій обробки цифрового сигналу.
УОРИ – пристрій відображення результатів вимірювання.
(5.1)
Рисунок 5.5 – Залежність концентрації діоксиду вуглецю і значення десяткового коду.
Алгоритм отримання результатів вимірювання (5.2)
(5.2)
Цифрова модель не враховує
– шуми апаратури
– температурні зміщення сигналів в ОУ
– обурення впливають на вимірювальний процес (стабільність потоку вимірювання СІД, впливу зміни атмосферного тиску і температури, явище деградації оптоелектронних приладів) і т.д.
Виявлення похибок вимірювання виконано методом звірення результатів вимірювання (моделювання) з істинними значення вимірювань концентрації вуглекислого газу.
Для завдання найгіршого режиму вимірювального процесу, модель вхідного сигналу має нормальний закон розподілу значень вимірювальної величини (концентрації СО2). Довжина реалізації, число модельованих вимірювань.
Параметри похибки оброблялися за такою методикою:
(5.3)
Оцінюємо дисперсію (5.5)
(5.5)
Оцінюємо С.К.О (5.6)
(5.6)
Виконуємо оцінку максимального значення похибки (5.7)
(5.7)
5.1. Оцінка метрологічніх характеристик вімірювача концентрації вуглецю, методом математичного моделювання.
У процесі розробки пристрою виникає потреба виявленні похибок вимірювання і поліпшення показників проектованого пристрою, для цього застосовують методи математичного моделювання.
Рисунок 5.4 – Структурна модель розроблюваного устрою контролю діоксиду вуглецю.
ПИП – первинний вимірювальний перетворювач. УОАС – пристрій обробки аналогового сигналу. ОУЦС – пристрій обробки цифрового сигналу. УОРИ – пристрій відображення результатів вимірювання.
(5.1)
(5.1)
Рисунок 5.5 – Залежність концентрації діоксиду вуглецю і значення десяткового коду.
(5.2)
(5.3)
(5.5)
(5.6)
(5.7)
Наведене значення максимальної похибки (5.8)
(5.8)
j – довірчі обмеження нормованої величини нерозподіленого Стьюдента, при 
= 0.95; t