Pеферат
Содержание
Введение
Прибор предназначен контролировать параметры выдыхаемого диоксида углерода, отображая его концентрацию и темп дыхания на индикаторе отображения информации, помогая спасателям и работникам отслеживать текущее состояние человека.
1. Актуальность
В нашем регионе с хорошо развитой системой угольной промышленности, все более стает актуально оборудование индивидуальной защиты, в том числе и автономных изолирующий дыхательных аппаратов. Во время аварий на угольно добывающих предприятиях, часто бывает так, что воздух, которым дышат шахтеры или спасатели, сильно загрязнён метаном, угольной пылью и т. д. и т. п. В таких случаях как раз и стоит применять индивидуальные средства защиты. Разрабатываемый прибор должен контролировать параметры выдаваемого диоксида углерода и показывать их концентрацию и темп дыхания на индикаторе отображения информации, помогая спасателям и работникам отслеживать текущее состояние человека.
2. Цель работы
Целью разработки есть уменьшение времени подготовки к использованию и отображении полученной информации измерения и интеграция новых технических элементов. Прибор предназначен для измерения концентрации диоксида углерода горноспасательного оборудования.
Прибор должен состоять из следующих частей:
– канал измерения оптической пробы, предназначенный для измерения концентрации диоксида углерода;
– мультиплексор аналоговых сигналов, предназначенный для поочередного подключения измерительных каналов ко входу цифровой части прибора;
– аналого-цифровой преобразователь;
– микропроцессорный блок, предназначенный для определения концентрации измеряемого вещества и вывода результата на индикацию.
3. Задачи анализа
1. Проанализировать существующие методы и средства измерения концентрации оксида углерода, выбрать метод, обладающий высокой точностью и избирательностью.
2. Разработка математической модели дыхательного аппарата
3. Разработать математическую модель системы измерения.
4. Исследовать функции математической модели системы измерения с включением модели дыхательного аппарата.
5. Исследовать принципиальную схему прибора контроля диоксида углерода структуре испытания горноспасательного оборудования.
4. Анализ работы
Для реализации метода в структурной схеме предусмотрен источник узкополосного излучения со спектром излучения совпадающим со спектром поглощения диоксида углерода, оптическая схема, в которой обеспечивается облучение газовоздушной смеси, фотоприемник, обеспечивающий преобразование потока оптического излучения в сигнал удобный для дальнейшей обработки с выделением информации о концентрации диоксида углерода. Для снижения уровня шумов фотоприемника и устройства обработки сигнала, предусматривается модуляция оптического потока. Для реализации модуляции в структурной схеме предусматривается расчет выходного сигнала измерительного преобразователя концентрации напряжения, выполненные в прикладном пакете Matchcad.
Рисунок 4.1 – Обобщенная структурная схема прибора контроля диоксида углерода.
(анимация: 15 кадров, 5 циклов повторения, 152 килобайт)
(анимация: 15 кадров, 5 циклов повторения, 152 килобайт)
ИП – источник питания.
Ген.НЧ – используется для генерации синусоидальных сигналов.
– источник излучения.
– газовая кювета, рабочая и сравнительные кюветы.
RC Ус – для усиления полученных сигналов от НП.
Пред.ус.ф. – предусилитель фототока.
Д – для преобразования модулированных колебаний несущей частоты в колебания с частотой модулирующего сигнала.
Нпр. – нормирующий преобразователь.
ФНЧ – используется для пропускания низкочастотных составляющих спектра проходящего через него сигнала и ослабляющее высокочастотные.
МАС – мультиплексор.
АЦП – для преобразования аналогового сигнала в цифровой.
МПС – микроконтроллер.
ДОИ – для отображения обработанных сигналов.
– источник излучения.
– газовая кювета, рабочая и сравнительные кюветы.
5. Внешний вид устройства
Согласно с техническими данными задания, и рассмотренными аналогам нашего прибора параметры должны быть изготовлен в виде блоку с габаритами 50 X 100 X 50 мм. Корпус из полиамидной пластмассы. Масса не должна быть минимальной и не превышать 100 г. Конструктивное выполнение прибора приведено на рис. 5.1.
Рисунок 5.1 – конструктивное исполнение прибора А) вычислительная часть Б) выносной модуль.
1 – жк дисплей; 2 – вход рабочей кюветы для пробы; 3 – выход рабочей кюветы утилизация пробы, 4 – элементы подстройки, 5 – кнопка включений/выключения питания, 6 – место установки элемента питания, 7 – вход\выход для шины
Рисунок 5.2 – Визуальное представление проектируемого прибора контроля диоксида углерода конструктивное исполнение прибора А) вычислительная часть Б) выносной модуль с ПИП. Соединённых через шину.
(анимация: 10 кадров, 5 циклов повторения, 123 килобайт)
(анимация: 10 кадров, 5 циклов повторения, 123 килобайт)
Рисунок 5.3 – Внутреннее расположение узлов проектируемого устройства измерения диоксида углерода.
5.1. Оценка метрологических характеристик измерителя концентрации углерода, методом математического моделирования.
В процессе разработки устройства возникает потребность выявлении погрешностей измерения и улучшения показателей проектируемого устройства, для этого применяют методы математического моделировании.
Рисунок 5.4 – Структурная модель разрабатываемого устройства контроля диоксида углерода.
ПИП – первичный измерительный преобразователь.
УОАС – устройство обработки аналогового сигнала.
ОУЦС – устройство обработки цифрового сигнала.
УОРИ – устройство отображения результатов измерения.
(5.1)
Рисунок 5.5 – Зависимость концентрации диоксида углерода и значения десятичного кода.
Алгоритм получения результатов измерения (5.2)
(5.2)
Цифровая модель не учитывает:
– шумы аппаратуры
– температурные смещения сигналов в ОУ
– возмущения влияющие на измерительный процесс (стабильность потока измерения СИД, влияния изменения атмосферного давления и температуры, явление деградации оптоэлектронных приборов) и т.д.
Выявление погрешностей измерения выполнено методом сличения результатов измерения (моделирования) с истинными значения измерений концентрации углекислого газа.
Для задания наихудшего режима измерительного процесса, модель входного сигнала имеет нормальный закон распределения значений измеряемой величины (концентрации СО2).
Параметры погрешности обрабатывались по следующей методике:
(5.3)
(5.1)
Рисунок 5.5 – Зависимость концентрации диоксида углерода и значения десятичного кода.
(5.2) Цифровая модель не учитывает:
– шумы аппаратуры
– температурные смещения сигналов в ОУ
– возмущения влияющие на измерительный процесс (стабильность потока измерения СИД, влияния изменения атмосферного давления и температуры, явление деградации оптоэлектронных приборов) и т.д.
Выявление погрешностей измерения выполнено методом сличения результатов измерения (моделирования) с истинными значения измерений концентрации углекислого газа.
Для задания наихудшего режима измерительного процесса, модель входного сигнала имеет нормальный закон распределения значений измеряемой величины (концентрации СО2).
Параметры погрешности обрабатывались по следующей методике:
(5.3)
(5.3)Производим оценку дисперсии (5.5)
(5.5)
(5.5)Оцениваем С.К.О (5.6)
(5.6)
(5.6)Выполняем оценку максимального значения погрешности (5.7)
(5.7)
(5.7)Приведенное значение максимальной погрешности (5.8)
(5.8)
(5.8)t
j – доверительные границы нормированной величины не распределений Стьюдента, при = 0.95; tj=1.96
Если бы в ходе работы были учтены ряд возмущений, то метрологические оценки оказались более близкие к реальным газоаналитическим средствам измерения, и имели бы значения погрешности где-то 1-2%.
Выводы
В процессе разработки средства измерения углекислого газа для стенда имитации дыхания, в проекте выполнен анализ и обзор методов и устройств контроля концентрации углекислого газа. Проанализировав достоинства и недостатки рассмотренных методов, обоснованно выбрано бездисперсионный абсорбционный спектрометрический метод измерения концентрации диоксида углерода, на основании которого разработана структурная схема и выбраны принципиальные решения отдельных узлов. Оценены метрологические характеристики предложенной конструкции измерителя, виде двух блоков: выносного размещаемого на дыхательном аппарате и отдельного блока в котором размещены электронные схемы и представляются результаты измерения. Расчетные соотношения разных узлов хорошо согласуются между собой. Цифровые узлы сгруппированы вокруг микропроцессорного устройства, на которое возложены функции управление процессами измерений как канала измерения концентрации углекислого газа, так и других каналов.
Методами математического моделирования получены оценки метрологических характеристик. Получена градуированная характеристика измерительного канала и оценки значений не исключенной части погрешности.
В разрезе конструирования предложена конструкция корпуса измерителя и конструкторская проработка устройства. В ходе работы не учтены ряд возмущений в связи с чем метрологические оценки оказались лучше чем рабочих средств измерения, на последующих этапах работы эти вопросы будут исследованы и учтены.
При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2017 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
Использованная литература
1. Испытательный стенд «искусственные легкие» для исследования изолирующих дыхательных аппаратов ФГБОУ ВПО "ТГТУ" © 1995-2015. Электронные данные. – Режим доступа: [Электронный ресурс] – Дата доступа: май 2015. – Загл. с экрана.
2. Павленко В.А., Газоанализаторы, М.-Л., 1965; Бражников В.В., Дифференциальные детекторы для газовой хроматографии, М., 1974; Кулаков М.В., Технологические измерения и приборы для химических производств, М., 1983. А.М. Дробиз, В.А. Рылов, В.Ю. Рыжнев. Электронные данные. – Режим доступа: [Электронный ресурс] – Дата доступа: май 2015. – Загл.
3. Кестер У. Проектирование систем цифровой и смешанной обработки сигналов. (Analog-Digital Conversion) Редактор оригинального издания Уолт Кестер. Перевод с английского под редакцией А.А.Власенко. (Москва: Издательство «Техносфера», 2010. – Серия «Мир электроники»)
4. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2005 год. 528 стр.
5. Капнометр для чрезвычайных ситуаций. EMMA. © ЗАО "БИМК-Кардио" Электронные данные. – Режим доступа: [Электронный ресурс] – Дата доступа: май 2015. – Загл. с экрана.
6. Никамин В.А. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Справочник A/D&D/A Converters Reference Book. Санкт-Петербург КОРОНА. принт Москва «Альтекс-А». 2003. с.224.
7. Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков. По материалам семинара «Practical design techniques for sensor signal conditioning» Перевод выполнен фирмой Автэкс. Автор перевода: Горшков Б.Л. Редактор перевода: Силантьев В.И. 2011год. 311 с.
8. Изъюрова – Расчёт электронных схем. Примеры и задачи. М.: Высшая школа, 1987. – 335 с Заездный А.М. Гармонический синтез в радиотехнике и элементы связи. Л. «Энергия». 1971. 528с.
9. Микроэлектроника и техника. 2011-2012 ООО «МЭЛТ» Электронные данные. – Режим доступа: [Электронный ресурс] – Дата доступа: май 2015. – Загл. с экрана.
10. The hitran Database copyright © 2015 Ontar Corporation. All Rights Reserved. Электронные данные. – Режим доступа: [Электронный ресурс] – Дата доступа: май 2015. – Загл. с экрана.
11. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. – Электроника. 2-e, перер. и доп. – М: Высшая школа, 1991. – 622 с..
1. Испытательный стенд «искусственные легкие» для исследования изолирующих дыхательных аппаратов ФГБОУ ВПО "ТГТУ" © 1995-2015. Электронные данные. – Режим доступа: [Электронный ресурс] – Дата доступа: май 2015. – Загл. с экрана.
2. Павленко В.А., Газоанализаторы, М.-Л., 1965; Бражников В.В., Дифференциальные детекторы для газовой хроматографии, М., 1974; Кулаков М.В., Технологические измерения и приборы для химических производств, М., 1983. А.М. Дробиз, В.А. Рылов, В.Ю. Рыжнев. Электронные данные. – Режим доступа: [Электронный ресурс] – Дата доступа: май 2015. – Загл.
3. Кестер У. Проектирование систем цифровой и смешанной обработки сигналов. (Analog-Digital Conversion) Редактор оригинального издания Уолт Кестер. Перевод с английского под редакцией А.А.Власенко. (Москва: Издательство «Техносфера», 2010. – Серия «Мир электроники»)
4. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2005 год. 528 стр.
5. Капнометр для чрезвычайных ситуаций. EMMA. © ЗАО "БИМК-Кардио" Электронные данные. – Режим доступа: [Электронный ресурс] – Дата доступа: май 2015. – Загл. с экрана.
6. Никамин В.А. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Справочник A/D&D/A Converters Reference Book. Санкт-Петербург КОРОНА. принт Москва «Альтекс-А». 2003. с.224.
7. Методы практического конструирования при нормировании сигналов с датчиков. По материалам семинара «Practical design techniques for sensor signal conditioning» Перевод выполнен фирмой Автэкс. Автор перевода: Горшков Б.Л. Редактор перевода: Силантьев В.И. 2011год. 311 с.
8. Изъюрова – Расчёт электронных схем. Примеры и задачи. М.: Высшая школа, 1987. – 335 с Заездный А.М. Гармонический синтез в радиотехнике и элементы связи. Л. «Энергия». 1971. 528с.
9. Микроэлектроника и техника. 2011-2012 ООО «МЭЛТ» Электронные данные. – Режим доступа: [Электронный ресурс] – Дата доступа: май 2015. – Загл. с экрана.
10. The hitran Database copyright © 2015 Ontar Corporation. All Rights Reserved. Электронные данные. – Режим доступа: [Электронный ресурс] – Дата доступа: май 2015. – Загл. с экрана.
11. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. – Электроника. 2-e, перер. и доп. – М: Высшая школа, 1991. – 622 с..