Синтез метода и средств удаленного мониторинга сопротивлений заземлителей

1 - Термочувствительный элемент.

2 - Термопроводная паста.

3 - Теплоизоляционный корпус (например, из пенопласта).

4 - Полоса заземления.

БАД - Блок анализа данных.

Измерения являются косвенными. Предположим, что материал и габаритные размеры полосы заземления нам известны. Тогда масса той части полосы, что находится внутри корпуса длиной L будет вычисляться по формуле (2.4):

, (2.4)

В формуле (2.4) приняты следующие условные обозначения:

S - площадь поперечного сечения полосы (м²),

L - длина части полосы, заключённой в корпус,

с - плотность материала полосы, кг/м³

Количество теплоты, в соответствии с законами физики, можно вычислить по формуле (2.5):

, (2.5)

В формуле (2.5) подразумевается:

с - удельная теплоёмкость материала полосы (константа из справочника).

- разница температур. Причём ,

T₂ - температура в начале измерения, єК;

T₂ - температура в конце измерения, єК.

Тогда, в соответствии с законом Джоуля-Ленца, имеем (2.6):

(2.6)

В формуле (2.6) принято:

I - сила тока в проводнике,

U - падение напряжения на нём,

- время, в течение которого производится измерение.

Таким образом, можно утверждать, что:

В последнем подразумевается наличие датчика, измеряющего ток в проводнике. Значения c и m, как характеристики полосы заземления, предположительно нам известны.

Рассмотрим альтернативный вариант. Применив закон Ома, можно обойтись без измерения напряжения, и в контексте поставленной в данном дипломном проекте задачи, измерять непосредственно сопротивление. Согласно закону Джоуля-Ленца, теплота, выделяемая проводником, зависит от силы тока, протекающей в проводнике, и от его сопротивления. Тогда до ввода в рассмотрение формулы (2.6) рассуждения те же, а после - имеет смысл исключить напряжение из расчётов. Получим формулу (2.7):

(2.7)

В формуле (2.7), соответственно, R - сопротивление заземлителя:

а подстановка, теоретически, позволяет получить:

.

2.3 Существующие методы измерения токов

В соответствии с поставленными выше задачами дипломной работы, имеет смысл рассмотреть основные из существующих ныне методов измерения тока, протекающего через проводник. В общем и целом, следует отметить, что измерение тока осуществляется, в основном, приборами магнитоэлектрической системы, приборами электродинамической системы или аналого-цифровыми преобразователями (по сути, компенсационный косвенный метод измерения). Но все упомянутые способы рассчитаны прежде всего на измерение небольших значений тока. Однако, при соответствующей доработке измерительной схемы, с успехом применяются и для измерения больших токов. Не столько о самих концепциях построения приборов, сколько об этой доработке и пойдет речь в настоящем разделе.

Магнитоэлектрический механизм, включенный непосредственно в измерительную цепь, позволяет измерять малые постоянные токи, не превышающие 20 - 50 мА. Превышение указанных значений может привести к повреждениям провода рамки и спиральной пружины. Таким образом, сам магнитоэлектрический механизм может выступать только в роли микроамперметра или миллиамперметра. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты, представляющие собой маганиновые резисторы, сопротивление которых мало зависит от температуры. Обычно оно во много раз меньше сопротивления сопротивлению измерительного механизма.

Рис. 2.7 Включение амперметра параллельно шунтирующему

Поэтому при включении шунта параллельно прибору (рисунок 2.7) основная часть измеряемого тока проходит через шунт, а ток, проходящий через рамку измерительного механизма, не превышает допустимого значения. Отношение измеряемого тока к току, проходящему через рамку даёт нам коэффициент, показывающий во сколько раз измеряемый ток превышает допустимое значение, и носит название коэффициента шунтирования. Сопротивление шунта, которое необходимо выбрать для получения требуемого коэффициента шунтирования, нетрудно определить:

I_шЧR_ш = I_и ЧR_и,

I_ш = I - I_и,

откуда следует:

R_ш = R_и / (n - 1).

Для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров принято применять измерительные трансформаторы тока, которые преобразуют большие значения токов I₁ в малые I₂. Коэффициент трансформации (выражение (2.8)):

K_I = I₁ / I₂ (2.8)

в основном определён соотношением числа витков во вторичной обмотке w₂ к их числу в первичной обмотке w₁, то есть K_I = w₂ / w₁. Схема включения амперметра с трансформатором тока TA представлена на рисунке 2.8. Чтобы получить значение измеряемого тока I₁, слудет измеренное амперметром значение тока I₂ умножить на коэффициент трансформации (выражение (2.9)):

I₁ = K₁ Ч I₂ (2.9)

На практике вместо действительного коэффициента трансформации K_I приходится использовать номинальный коэффициент трансформации K_Iн, что приводит к погрешности определения тока I1. Классы точности трансформаторов тока варьируются от 0,01 (лабораторные переносные) до 10 (стационарные, устанавливаемые на подстанциях). Номинальные значения сопротивления нагрузки в цепи вторичной обмотки лежат в пределах от 0,2 до 2 Ом. Увеличение сопротивления нагрузки приводит к увеличению погрешностей. Размыкание вторичной обмотки недопустимо, так как оно вызывает появление на разомкнутых концах высокого напряжения, опасного для человека и способного привести к нарушению изоляции.

Рис. 2.8 Схема включения амперметра с трансформатором тока

Токовый датчик для измерения параметров переменного тока может рассматриваться как разновидность простого трансформатора тока. Трансформатор (рисунок 2.9) по существу имеет две катушки на общем железном сердечнике. Напряжение I1подаётся на катушку В1, наводя через общий сердечник напряжение I2 на катушке В2. Число витков на каждой катушке и значение напряжения имеют отношение по формуле:

N1 Ч I1 = N2 Ч I2,

где N1 и N2 это число витков на каждой катушке. Из этого отношения следует:

I2 = N1 Ч I1 / N2и I1 = N2 Ч I2 / N1.

Тот же самый принцип используется в токовом датчике (рисунок 2.9). На замкнутом магнитопроводе в виде клещей замкнутых на проводнике, находится катушка B2, по которой протекает электрический ток I1.



Рис. 2.9 Токовый трансформатор

В1 это просто проводник, на котором пользователь проводит измерения, при количестве обмоток, образуемых проводником - равным единице. Токовый датчик замкнутый вокруг проводника вырабатывает выходной ток, значения которого определяются количеством витков на катушке В2, по нижеследующей формуле:

I2 (выход датчика) = (N1 / N2) Ч I1,

в которой учтено что N1 = 1 или, иначе говоря, выходное значение датчика определимо из соотношения I1 / N2 (где N2 это число витков на катушке датчика).

Рис. 2.10 Токовые клещи. Принцип применения.

Часто бывает очень трудно измерить I1 непосредственно, так как значение силы тока слишком велико, чтобы подавать его непосредственно на цепь измерительного прибора, или просто потому, что недопустимо разрывать цепь. Для обеспечения приемлемого выходного значения на катушке датчика размещается большое количество витков.

Токовые клещи могут использоваться и с другими приборами, измеряющими ток в диапазоне, соответствующем выходу датчика, если данные измерительные приборы имеют требуемое входное сопротивление (рисунок 2.11).

Рис. 2.11 Комбинирование токовых клещей и амперметра для снятия тока

Токовые датчики могут также иметь выходы, как по току так и по напряжению, для осуществления измерений тока приборами, имеющими только входы по напряжению (регистрирующие устройства, осциллографы… Рисунок 2.12). Это просто осуществить согласованием токового выхода датчика с датчиком, имеющем на выходе напряжение (модель Y4N или Mini1). В этих случаях напряжение на выходе датчика в мВ пропорционально измеряемому току (напр. 1 мВ / 1 А переменного тока).

Рис. 2.12 Применение токовых клещей для снятия напряжения образователями (метоми (метод или аналого-цифровыми преобразователями (метод п, приборами магнитоэлектрической системы, прибор).

3. Разработка метода измерения сопротивлений заземлений с использованием реальных молниевых токов

3.1 Постановка задачи

В связи с необходимостью исключения человеческого фактора возникла идея о переведении процесса измерения сопротивления заземлителя в автоматический режим. Это позволит не только сэкономить средства за счет исключения данной измерительной работы из списка исполняемых электромеханиками, но и повысить верность получаемых данных, что в свою очередь должно привести к повышению надёжности работы устройств связи, уменьшению числа отказов, и сокращению времени простоя каналов до приемлемых значений.

В контексте данной дипломной работы будет произведено рассмотрение одного из возможных устройств для осуществления удалённого мониторинга сопротивлений заземлений. В качестве источника энергии для предлагаемой конструкции был выбран реальный молниевый ток, использование которого в данной ситуации является наиболее целесообразным, поскольку во-первых этот источник энергии можно отнести к мощным и неисчерпаемым, а во-вторых с учетом ныне существующей периодичности измерений, данный источник, теоретически, должен появляться по меньшей мере не реже чем раз в год. Таким образом, энергопотребление всего устройства можно будет свести к минимуму, реализовав пребывание измерительного прибора в ждущем режиме вплоть до появления грозового разряда. Разрабатываемое в данной дипломной работе устройство призвано использовать реальные молниевые токи для контроля сопротивлений заземлителя аппаратуры, что позволит помимо всего прочего, собрать, безусловно, необходимые и важные, статистические сведения, и производить относительно постоянный контроль измеряемой величины.

Изложим предъявляемые к разрабатываемому устройству требования, дальнейший учёт которых является ключевой задачей процесса разработки.

Во-первых, процесс установки устройства измерения не должен вызывать затруднений и требовать дополнительного обучения персонала. Это требование можно обосновать, в том числе и экономической подоплёкой. Дело в том, что дополнительное образование персонала будет требовать ощутимых финансовых вливаний, что в конечном итоге пагубно повлияет на общий срок окупаемости проекта. Кроме того, при соответствующей проработке способа установки измерительных датчиков удастся добиться такой концепции, которая позволит не разрывать существующих трасс заземления.

Во-вторых, требуется добиться наилучшей точности производимых измерений. Это, с учетом произведенного ранее обзора, например, может быть достигнуто исключением влияния близрасположенных металлических конструкций. Исключение влияния металлических конструкций, в свою очередь, может быть реализовано путем исключения токового электрода.

В-третьих, имеет смысл отказаться от методов измерения, реализуемых при помощи относительно крупных по массогабаритным показателям измерителей, так как это приведет к неоправданному увеличению упомянутых показателей в конечной конструкции, что, в свою очередь, усложнит процесс монтажа, приведя нас в несоответствие с первым из выведенных требований.

В-четвертых, поскольку решено использовать для измерения молниевый ток, требуется разработать (или выбрать оптимальный из существующих) датчики, как для измерения тока, так и для измерения напряжения, поскольку ни тот ни другой параметры в данной ситуации заведомо известными считаться не могут. Однако, при удачном построении конечной схемы устройства, это обстоятельство положительно скажется на результате, поскольку мы будем иметь возможность контроля сопротивления заземлений на различных по характеристикам импульсных измерительных токах, что характерно.

3.2 Описание предлагаемого метода

Предлагаемый метод, как уже сказано ранее, основывается на применении одного из базовых физических законов - закона Ома для участка цепи. Теоретически, при воздействии импульсного напряжения на активное сопротивление, ток, протекающий в нём, будет меняться по соответствующему закону. Таким образом, рассматривая конкретный проводник, при наличии полной картины измерений (данные по току и по напряжению) в любой отдельно рассматриваемый момент времени, мы можем путём простой арифметической операции определить его сопротивление.

Основываясь на данной концепции, можно утверждать, что в случае преобладания активной составляющей сопротивления заземлителя над индуктивной его составляющей, последнюю можно не учитывать, и тогда имея полную картину измерений в любой момент времени, сопротивления заземлителя может быть определено указанным образом с достаточной степенью достоверности. В этом случае можно также утверждать, что зависимость измеряемого сопротивления заземлителя от времени будет носить линейный характер.

Рассмотрим иную ситуацию. Предположим, что реактивная составляющая вносит существенный вклад в полное сопротивление заземляющего устройства. В данном случае говорить о линейности упомянутой ранее зависимости не приходится. Однако, аналогичным образом, путем простой арифметической операции, мы можем определить значение сопротивления на всем промежутке проведения измерений, не прибегая к использованию численных методов математического анализа. В результате выполненных действий могут быть получены зависимости полного сопротивления заземляющего устройства от значения приложенного к нему импульсного напряжения и от тока, растекающегося с него в землю. Зависимости, о которых идет речь, могут служить теоретической базой для дальнейших исследований, темой которых станет снижение вклада индуктивной составляющей в полное сопротивление заземляющего устройства с целью снижения конечной величины последнего.

Таким образом, можно в обоих возможных вариантах отказаться от использования численных методов математического анализа, и опираться только на практически получаемые результаты измерений.

Определившись со способом обработки результатов измерений, приступим к более детальному описанию предлагаемого метода измерения сопротивлений заземлителей.

3.3 Анализ предлагаемого метода

Предлагаемое решение поставленной задачи даёт очевидные преимущества перед существующим в данный момент положением вещей. Во-первых, автоматизация процесса измерений позволяет исключить человеческий фактор, что приведет к получению требуемой достоверности получаемых в ходе измерения сведений. А во-вторых, собственно неминуемое исключение ежегодной работы электромеханика по измерению сопротивлений заземлителей даст ощутимый экономический эффект, оценке которого будет посвящен соответствующий раздел пояснительной записки.

Но наряду с очевидными в данном случае плюсами, следует оценить и характерные для данного метода минусы. К минусам удалённого мониторинга сопротивлений заземлителей с применением реальных молниевых токов можно отнести, прежде всего, свойственную молниевым процессам хаотичность. В данном случае подразумевается, что изначально не известно количество гроз на любом отдельно рассматриваемом участке за годовой период. Поэтому о получении большего, нежели раз в год, числа измерений говорить можно только с определённой долей вероятности. Как показывает статистика, в Мурманской области, рассматриваемой в качестве примера в данной пояснительной записке, наиболее грозоактивными месяцами являются май, июнь, июль, август и сентябрь. Это позволяет сделать приблизительный подсчет возможного числа срабатываний датчика за данный период в пять месяцев каждый год. Предположим по одному срабатыванию на каждую неделю данного периода. Тогда общее число срабатываний можно определить как 5 (мес) Ч 4 (нед) = 20 (срабатываний). В данном случае под одним срабатыванием понимается вход измерителя в активный режим, вызывающий косвенную оценку измеряемой величины каждую микросекунду. Таким образом, даже наличие одной грозы за весь год, в ходе которой датчик производил измерения, позволяет получить наиболее полную картину изменения мгновенных значений тока и напряжения на заземляющем устройстве в зависимости от времени. Что в свою очередь ведет к возможности определения сопротивления этого заземляющего устройства.

3.4 Разработка структурной схемы измерительного датчика

Перед рассмотрением предлагаемой в данной пояснительной записке структурной схемы устройства, хотелось бы заметить, что основной целью дипломного проектирования по разрабатываемой теме являлось получение общей идеи построения системы удаленного мониторинга, а никак не конкретные схемотехнические решения. Дело в том, что автор не столь хорошо разбирается в электронике, чтобы иметь возможность выдвигать окончательные варианты построения тех или иных схемных реализаций. Не исключено, что применение микропроцессоров в конструкции устройства позволило бы как снизить общую себестоимость конечного измерителя, так и повысить быстродействие и общую эффективность самого процесса измерений. Однако, предлагаемое решение структурной схемы с точки зрения автора, является наиболее предпочтительным ввиду слабой устойчивости микросхем высокой степени интеграции (к коим можно отнести микропроцессоры) к воздействию электромагнитного импульса, который неизбежно имеет место при каждом молниевом ударе.

Исходя из изложенных соображений, было принято решение избегать применения схемотехнических реализаций измерительного устройства. В рассматриваемой в данной пояснительной записке структурной схеме предполагается наличие датчиков тока и напряжения, и наличие формирователя информационного сообщения, которое и будет поступать на конечный обрабатывающий данные пункт.

Рис. 3.1 Общая структурная схема измерительного устройства

На рисунке 3.1 данной пояснительной записке приведен возможный вариант построения общей структурной схемы устройства. Условимся в контексте данной работы не заниматься вопросами передачи данных, так как в этой области ничего нового мы все равно не предложим. А расходовать объем пояснительной записки на выбор одного из существующих решений представляется автору, в целом, не целесообразным. В данной работе производится синтез устройства, осуществляющего сами измерения. А передача данных на центральный анализирующий пост, равно как и анализ полученной информации являются предметом для отдельной работы.



Рис. 3.2 Структурная схема блока анализа тока (БАТ)

На рисунке 3.2 изображена предлагаемая структурная схема блока анализа тока (БАТ). Для предлагаемой структурной схемы характерно использование аналогово-цифрового преобразователя в качестве измерителя получаемого значения. На структурной схеме приведены следующие условные обозначения: «I > U» - преобразователь тока в аналоговую величину (в данном случае, напряжение); «АЦП» - аналогово-цифровой преобразователь; «ПС/СО» - пусковая схема и схема остановки; «БПК» - блок преобразования кодовых комбинаций; «ТГУ 1» - управляемый тактовый генератор относительно низкой частоты; «ТГУ 2» - управляемый тактовый генератор относительно высокой частоты.

По аналогичной технологии, но уже без необходимости установки преобразователя тока в напряжение («I > U») может быть построен и датчик напряжения. Структурную схему последнего в пояснительной записке приводить не станем, однако на плакате номер 4 данная структурная схема будет изображена.

3.5 Выводы

В рассмотренном разделе были приведены основные идеи по реализации предлагаемого в данной пояснительной записке метода осуществления удалённого мониторинга сопротивлений заземлений в системах связи. Рассмотрены плюсы и минусы выбранной концепции: во-первых, автоматизация процесса измерений позволяет исключить человеческий фактор, что приведет к получению требуемой достоверности получаемых в ходе измерения сведений, а во-вторых, собственно неминуемое исключение ежегодной работы электромеханика по измерению сопротивлений заземлителей даст ощутимый экономический эффект, оценке которого будет посвящен соответствующий раздел пояснительной записки. Также было осуществлено проектирование структурной схемы измерительного устройства.

4. Разработка схемных решений по реализации предлагаемого метода

4.1 Выбор датчика тока

Для получения своеобразной гибкости схемы, требуется строить настраиваемый датчик. Это может быть достигнуто включением токового трансформатора на вход электронного усилителя, коэффициент усиления которого мы имеем возможность менять. Такие датчики существуют и не нуждаются в разработке. Выберем датчик из существующих, исходя из нижеследующих соображений.

Наибольшее допустимое значение сопротивления заземлителя электроустановки напряжением до 1000 В с заземленной и изолированной нейтралью или при мощности установок более 10 кВ•А составляет 4 Щ. Исходя из изображённой на рисунке 1.9 диаграммы напряжения грозового импульса, амплитуда этого самого импульса составляет 100 кВ. Примем, для верности, измеряемую амплитуду большей в два раза. Тогда ток, который мы измеряем, в амплитуде будет составлять:

Исходя из этих соображений, можно рассчитать требуемый коэффициент преобразования ток/напряжение, обозначим его k_преоб:

В последнем принято U_доп = 5 В, допустимое для измерения АЦП напряжение. Исходя из изложенного, целесообразно воспользоваться продукцией фирмы Algodue Elettronica (Италия, эксклюзивный дистрибьютор в РФ - энерготехническая компания "Джоуль"), в ассортименте которой есть устройство, называемое MFC 150. Данное устройство представляет собой токовые клещи Роговского. Производитель заявляет следующие характеристики:

предназначены для измерения тока в диапазоне от нескольким миллиампер до сотен килоампер;

линейность и широкий диапазон частотной характеристики;

возможность охвата шинных токопроводов и сгруппированных кабелей, использования в труднодоступных местах;

устойчивость к большим перегрузкам;

отсутствие влияния на измерительную цепь.

MFC150, как уже упоминалось выше, представляет собой гибкий токовый преобразователь, функционирующий на основе принципа Роговского: катушка с «воздушным сердечником» окружает проводник, так что магнитное поле проводника индуцирует напряжение в катушке. Выходное напряжение пропорционально скорости изменения тока. Это напряжение интегрируется и на выходе получается сигнал, пропорциональный измеряемому току. Использование современных прецизионных технологий позволяет изготавливать катушки с выходом, не зависящим от ее расположения относительно проводника, а также от внешних магнитных полей, вызываемых, например, близлежащими проводами. Измерительная система гибких клещей состоит из катушки и электронного усилителя, и структурно представлена на рисунке 4.1.

Рис. 4.1 Структура датчика MFC150 (а) и Внешний вид (б)

Преобразователь не измеряет непосредственно постоянный ток, однако, в отличие от трансформатора тока, может выполнять точные измерения переменной составляющей даже при наличии большой постоянной составляющей благодаря тому, что отсутствует железный сердечник с большим насыщением. Это свойство особенно полезно при измерении пульсаций, что немаловажно в контексте решаемой задачи.

Согласно заявлениям производителя, точность измерений без калибровки составляет ± 2%. Коэффициент преобразования, вычисленный выше, реализуется за счёт электронного усилителя, и напряжение на выходе датчика будет изменяться из расчёта 100 мВ на 1 кА, что позволяет измерить значения в пределах до 50 кА при помощи АЦП. Требуемая разрядность АЦП будет установлена далее.

4.2 Разработка схемотехники основных узлов структурной схемы

Разработка схемотехнического решения синтезируемой системы удаленного мониторинга сопротивления заземлителей производится в соответствии с приведенной на рисунке 3.1 структурной схемой устройства. В контексте настоящего дипломного проектирования не ставится задача синтеза устройства передачи данных, так как это не представляет собой особого интереса. Поэтому условимся рассмотреть только схемотехнику выделенных на структурной схеме блоков, и привести возможные номиналы элементов в рассмотренных схемотехнических решениях.

Начнем рассмотрение возможных схемотехнических решений с выбора аналого-цифрового преобразователя. В настоящее время ассортимент данных полупроводниковых приборов исключает необходимость синтеза рассматриваемого блока структурной схемы. Как следствие, ограничимся приведением в данной работе параметров выбранной микросхемы.

Как уже упоминалось ранее, ключевым параметром данного блока является его быстродействие. Требуется за время не более 0,5•10^-6 секунд получить цифровое значение измеряемой величины. Величина эта взята из расчёта тактового генератора (смотрите далее). Дело в том, что АЦП должен преобразовать входной сигнал в течение одного измерения. Измерением с точки зрения «ТГУ», согласно концепции построения прибора, является один импульс. То есть, сработав по переднему фронту этого импульса, АЦП должен закончить дискретизацию по крайней мере до начала следующего импульса.

Разрядность АЦП может быть определена исходя из следующих соображений. Ранее мы определились что на 1 кА измеряемого тока будет происходить изменение аналога измеряемого тока - напряжения на выходе датчика в 100 мВ. Таким образом, для получения относительно полной картины изменения импульсного тока (как минимум по 5 шагов на каждый кА) амплитудой до 50 кА (амплитуда вычислена ранее), требуется N уровней квантования, где N можно вычислить как:

уровней.

Одним шагом квантования в данном случае будет являться значение напряжения в 100 мВ.

Полученная величина попадает под диапазон двоичных АЦП с разрядностью 8 бит (2⁸ = 256 уровней квантования). Для градуировки «шкалы» разрабатываемого прибора, можно выполнить следующий расчёт. При 250 уровнях квантования 1 уровень соответствует изменению измеряемого тока на 1 000 / 5 = 200 А. Тогда при 256 уровнях квантования, исходя из пропорции:

,

один уровень квантования будет иметь «цену»:

А.

Рис. 4.2 АЦП TDA8714T/4 фирмы Phillips: условное обозначение (а) и структурная схема (б)

Из вышеизложенного следует, что следует выбрать АЦП с параллельной загрузкой, двоичный, восьмибитный и отвечающий требованию T_Д ? 0,5 мкс, где под T_Д подразумевается период дискретизации АЦП. Этим требованиям отвечает микросхема TDA8714T/4 голландской фирмы Phillips. Её структурная схема (перевод обозначений автора данного документа) приведена на рисунке 4.2 (б), а параметры - в таблице 4.1.

Время задержки прохождения сигнала для данной микросхемы составляет 1,2 нс. Период дискретизации, исходя из заявленной производителем частоты, составляет:

Полученного значения вполне достаточно для решения поставленной задачи.

В предложенной ранее структурной схеме использовано два тактовых генератора. В настоящей разработке предлагается использовать тактовые генераторы на реактивных времязадающих элементах, без использования кварцевой стабилизации.

Схемотехнически блок может быть реализован, как это показано на рисунке 4.3. Изначально при проектировании предполагалась реализация блока по схеме с кварцевым резонатором с целью достижения стабилизации частоты. Но от идеи пришлось отказаться. Дело в том, что кварцевые генераторы входят в стабильный режим только спустя определённое время после начала генерации. Это время в первых моделях компьютеров принималось равным 1024 тактов, что характерно.

Таблица 4.1 Параметры АЦП TDA8714T/4 фирмы Phillips

Параметр	Значение параметра
Uи.п. а min, В	4,75
Uи.п. а ном, В	5,0
Uи.п. а max, В	5,25
Uи.п. ц min, В	4,75
Uи.п. ц ном, В	5,0
Uи.п. ц min, В	5,25
Iпот а, мА	25
Iпот ц, мА	27
Tmin, єС	0
Tmax, єС	70
fск max, МГц	40
PРАС, мВт	340
INLном, МЗР	± 0,4
INLmax, МЗР	± 0,5
DNLном, МЗР	± 0,2
DNLmax, МЗР	± 0,35
Тип корпуса	SO24
Цена за единицу, руб	456,30

Однако в разрабатываемом устройстве, поскольку задуман ждущий режим работы схемы, то рабочий режим включает в себя сам факт запуска тактового генератора, и измерение закончится раньше, чем проёдут 1024 такта. Поэтому о стабилизации частоты таким образом говорить не приходится.

Рис. 4.3 Принципиальная схема тактового генератора относительно низкой частоты

Их этих соображений было принято решение о построении схемы на RC элементах без использования кварцевого резонатора. Она практически не уступает схеме с кварцевым резонатором по характеристикам на рассматриваемом периоде работы (запуск), но такое решение представляется мне экономически целесообразным. Особенность представленной на рисунке 4.3 принципиальной схемы - её универсальность. Если входной запускающий импульс отрицательной полярности имеет длительность, меньшую периода колебаний генератора, на его выходах сформируется один импульс, то есть генератор действует как ждущий мультивибратор. При подаче входного импульса с длительностью, превышающей период, будет сформировано несколько импульсов полной длительности, о чём свидетельствует временная диаграмма, изображённая на рисунке 4.4.



Рис. 4.4 Временная диаграмма работы генератора (рисунок 4.3)

Произведём расчёт параметров схемы. Исходить будем из следующих соображений: для снятия относительно полной картины изменения тока от времени желательно застать амплитуду этого тока (или хотя бы максимально приближённое к ней значение). Поскольку молниевый импульс, согласно ITU 1XC - Per IEC 61000 - 4 - 2 Level 4, имеет форму, изображённую на рисунке 1.9, то требуется в каждую микросекунду производить по одному измерению. Следовательно, период генерации можем принять за одну микросекунду:

T_{генерации} = 1 мкс.

Таким образом, частота генерации вычисляется по известной формуле, и составит:

Исходя из заявленного выше, можно, задавшись одним из параметров (R, C) вычислить другой для схемы, приведённой на рисунке 4.3. Зададимся значением ёмкости равным:

C_эвр = 47 нФ = 47 • 10^-9 Ф.

Тогда значение сопротивления по формулам, специфичным для данной схемы, вычисляется, как это показано ниже:

1. Для данной схемы параметр «скважность» равен двум:

s = 2;

2. Длительность импульса таким образом:

3. Для рассматриваемой схемы длительность импульса определена соотношением:

4. Исходя из вышеупомянутого, значение сопротивления R_выч составит:

В качестве логических ячеек 2И-НЕ, на которых и построена схема, можно использовать микросхему К155ЛА3, представляющую собой, собственно четыре логических элемента 2И-НЕ. Номинальное напряжение питания у неё составляет 5 В, время задержки распространения при включении 15, а при выключении, соответственно, 22 нс, что подтверждает её пригодность по быстродействию.

Таким образом, параметры схемы можно считать определёнными. На этом разработку данного тактового генератора можно считать завершённой.

Второй тактовый генератор, установленный в структурной схеме, предназначен для передачи информации последовательным двоичным. Его схемотехническую реализацию примем аналогичной рассмотренной ранее. Произведем расчет номиналов времязадающих элементов.

Период генерации второго тактового генератора может быть вычислен исходя из следующих соображений. Каждую микросекунду происходит снятие показаний. Взвешивание выполняется в АЦП за 0,25 пс, что было продемонстрировано ранее (см. вычисление периода дискретизации). За оставшееся время требуется перевести восемь разрядов (число тактов n_т = 8), имеемых на выходе АЦП в последовательный код и по одному передать их в канал. Следовательно, период генерации можно найти так, как это сделано ниже:

Таким образом, частота генерации вычисляется по известной формуле, и составит:

Исходя из заявленного выше, можно, задавшись одним из параметров (R, C) вычислить другой для схемы, приведённой на рисунке 4.3. Зададимся значением ёмкости равным:

C_эвр = 100 пФ = 1 • 10^-10 Ф.

Тогда значение сопротивления по формулам, специфичным для данной схемы, вычисляется, как это показано ниже:

1. Для данной схемы параметр «скважность» равен двум:

s = 2;

2. Длительность импульса таким образом:



3. Для рассматриваемой схемы длительность импульса определена соотношением:

4. Исходя из вышеупомянутого, значение сопротивления R_выч составит:

Рассмотрим теперь возможную схемотехническую реализацию блока перевода формы кода. Он действует под управлением тактового генератора «ТГ2» и осуществляет трансформацию параллельного кода на выходе АЦП в последовательный (он же иногда называется линейным), удобный для передачи по одному каналу.

Рис. 4.5 Блок преобразования формы кода

Вариант принципиальной схемы блока представлен на рисунке 4.5. В качестве логических ячеек структуры «И» может быть использована микросхема К155ЛИ1, включающая в себя четыре логических ячейки данной конфигурации. В качестве элементов структуры «2ИЛИ» может быть выбрана микросхема К155ЛЛ1 (их при реализации потребуется две). Как видно из рисунка, в предлагаемом варианте используются 6 микросхем. Их параметры приводятся в таблице 4.2.

На данном этапе синтез блока преобразователя формы кода можно также считать завершённым. Перейдем к рассмотрению следующего блока структурной схемы, - пусковой схемы. Согласно принципу действия разрабатываемого прибора, пусковая схема должна обеспечивать вывод всех устройств из режима пониженного энергопотребления. Запуск тактового генератора «ТГ1», по сути, инициирует начало рабочего режима, а прекращение его работы приведет к началу режима ожидания.

Таблица 4.2 Некоторые параметры компонентов блока преобразователя формы кода

Микросхема (функциональность)	К155ЛИ1 (4 Ч 2И)	К155ЛЛ1 (4 Ч 2ИЛИ)	К155ИЕ5 (счетчик)	К155ИД1 (дешифратор)
Параметр	Значение параметра
Количество на блок	2	2	1	1
Uи.п. min, В	4,75	4,75	4,75	4,75
Uи.п. ном, В	5,0	5,0	5,0	5,0
Uи.п. max, В	5,25	5,25	5,25	5,25
Iпот, мА	? 33	? 35	? 53	? 25
T зад. max, нс	?19	?19	?135	?150
PРАС, мВт	?35,4	?30	?75	?120
Тип корпуса	201.14-8	201.14-8	201.14-8	201.16-5
Цена единицы, руб	5,00	5,00	8,00	17,50

Рассматриваемая схема может быть построена, например, как это сделано на рисунке 4.6.



Рис. 4.6 Пусковая схема и схема остановки

Приведённая схема строится на основе компаратора, следящего за уровнем входного напряжения, и триггера (например, можно использовать микросхему К561ТР2, стоимостью всего 10,00 рублей за единицу), который исполняет роль пускового элемента с памятью. Роль компаратора отведена операционному усилителю К140УД24 (стоимость 18,45 рублей). На резисторах малой мощности (МЛТ-0.125) собран делитель, который позволяет отрегулировать напряжение срабатывания. Завершение рабочего режима по окончанию измерений производится по снижению напряжения на выходе компаратора до уровня логического нуля инвертора.

4.6 Выводы

В настоящем разделе был произведен синтез основных блоков принципиальной схемы разрабатываемого измерительного устройства. Приведена методика выбора аналогово-цифрового преобразователя, определены требуемые пределы измерений для проектирования блока анализа тока. В случае с блоком анализа напряжения датчик собирается по аналогичной структурной (как следствие, и принципиальной) схеме. Это позволяет не приводить в пояснительной записке подробного процесса синтеза элементов данного блока.

5. Определение срока окупаемости внедряемой системы удалённого мониторинга сопротивлений заземлителей

5.1 Вычисление затрат РЦС на ежегодные измерения сопротивления заземлений

При проектировании рассмотренной выше принципиальной схемы устройства неоднократно давались ссылки на реально существующие и выпускаемые промышленностью расходные составляющие, указывалась стоимость применяемых комплектующих. Данный раздел дипломного проекта предназначен для рассмотрения экономической целесообразности внедрения разработки для использования на железнодорожном транспорте. Будут произведены рассмотрение существующей ситуации, расчет затрат на изготовление и установку датчика, вычисление стоимости работ по обслуживанию датчика. В конечном итоге будет приведена графическая зависимость, позволяющая получить срок окупаемости проекта.

Вычисление стоимости работы по измерению сопротивления заземляющего устройства следует начать с рассмотрения типовой инструкции ЦШ-4669, согласно которой измерения сопротивления заземляющего устройства производится раз в год электромехаником (ШН). Им же производится контроль состояния металлосвязи, который требует немалых временных затрат, что ведет к относительно ощутимой стоимости конечной работы. Внедряемая автоматизированная система мониторинга позволяет исключить данные виды работ из обязательных, а следовательно и из оплачиваемых, работ для электромеханика связи.

Таблица 5.1 Определение нормы времени на работы по измерению заземлителей

Виды работ	Норма времени	Число точек	Исполнитель
1. Измерение сопротивления заземления	0,2		ШН
2. Измерение сопротивления металлосвязи	0,08	50	ШН
	4,2	Всего ШН

В таблице 5.1 произведено определение нормы времени на работы по измерению сопротивления заземлителя, производимой электромехаником (ШН) ежегодно (параметр «число точек» взят для металлосвязи станции Чупа Окт. ж. д.). Определённая норма времени позволяет вычислить штат:

ц_ШН ? (0,08 / 169) = 0,025 штат. ед.

По вычисленному штату, в таблице 4 произведено определение ежегодной стоимости данной работы для предприятия.

Таблица 5.2 Определение стоимости работы по измерению заземлителей (раз в год)

Вид затрат	Количество единиц	Месячный оклад, руб	Фонд ЗП
			Месячный	Годовой
1. Основная ЗП:
ШН	0,02485	18 000	447,34	5368,05
ИТОГО:	447,34	5368,05
2. Замещение отпускников	8%		35,79	429,44
3. Премиальные	20%		89,47	1073,61
4. Разъездной характер работ	20%		89,47	1073,61
5. Вредность	0%		0,00	0,00
6. Социальные нужды	26%		116,31	1395,69
ВСЕГО:	778,37	9340,40

Как видно из произведённого расчета, ежегодно на данный вид измерений затрачивается 9340,40 рублей. Внедряемая система удалённого мониторинга, как уже было сказано выше, позволит не только сэкономить эти средства, но и повысить эффективность производимых измерений, что в конечном итоге приведёт к повышению надёжности работы систем связи, поскольку позволит получить гораздо более частое произведение данного рода измерений. Верность снимаемых показаний тоже будет гораздо выше, поскольку из процесса полностью исключается человеческий фактор, о чем уже было сказано ранее.

5.2 Вычисление затрат на сборку и установку прибора для осуществления удаленного мониторинга сопротивлений заземлителей

Затраты на сборку разрабатываемого в настоящем дипломном проекте устройства могут быть вычислены путем составления сводной таблицы затрат. По сути, она представляет собой спецификацию, в которой производится подведение общего итога по стоимости и внесения добавки в размере 4,2% на транспортно-заготовительные расходы. Последняя позволяет учесть наценки на доставку полуфабрикатов к месту сборки оконечного устройства. Что немаловажно, под полуфабрикатами здесь и далее принято понимать составные компоненты, входящие в состав рассмотренных ранее принципиальных схем. Как видно из таблицы 5.3, наиболее дорогими элементами конструкции являются именно преобразователи измеряемой величины.

Таблица 5.3 Определение стоимости сборки устройства

Наименование полуфабрикатов и готовых комплектующих изделий	Количество, штук	Стоимость, руб.
Датчик тока
Пояс Роговского (MFC 150)	1	4250,00
АЦП (TDA8714T/4)	1	456,30
DC (К155ИД1)	1	19,00
CNT (К155ИЕ5)	1	15,00
2И (К155ЛИ1)	2	6,00
2ИЛИ (К155ЛЛ1)	2	6,00
4RS (К561ТР2)	1	10,00
УД (К140УД24)	1	18,00
Шеффер (К155ЛА1)	2	6,00
МЛТ-0,125 (различных номиналов)	4	0,10
К10-7В М47 (различных номиналов)	4	0,25
Батарея PP3 (9 В, 1200 мА•ч)	1	80,00
Датчик напряжения
Ёмкостной делитель напряжения (MI 2501A)	8	187,50
АЦП (TDA8714T/4)	1	456,30
DC (К155ИД1)	1	19,00
CNT (К155ИЕ5)	1	15,00
2И (К155ЛИ1)	2	6,00
2ИЛИ (К155ЛЛ1)	2	6,00
4RS (К561ТР2)	1	10,00
УД (К140УД24)	1	18,00
Шеффер (К155ЛА1)	2	6,00
МЛТ-0,125 (различных номиналов)	4	0,10
К10-7В М47 (различных номиналов)	4	0,25
Батарея PP3 (9 В, 1200 мА•ч)	1	80,00
Итого по "Датчик тока":	4885,70
Итого по "Датчик напряжения":	2135,70
Итого по общее:	7021,40
Транспортно-заготовительные расходы (4,2 %):	294,90
ВСЕГО:	7316,30

Нормы времени работ, производимых механиком и монтёром при установке разрабатываемой системы мониторинга сопротивлений заземлителей автор этого документа взял на себя смелость определить самостоятельно.

По данным нормам произведено вычисление норм времени на установку системы. Результаты приведены в таблице 5.4.

По данным таблицы 5.4 произведено вычисление штата, в соответствии с тем, как это было сделано ранее:

ц_ШЦМ = (2,4 / 169) ? 0,014 штат. ед.

ц_ШН = (0,9 / 169) ? 0,001 штат. ед.

Таблица 5.4 Определение нормы времени на установку системы мониторинга

Виды работ	Норма времени	Исполнитель
1. Установка датчика тока	0,2	ШН
2. Установка датчика напряжения	0,5	ШН
3. Контрольная поверка ВКЗ	0,2	ШН
0,9	Всего ШН
1. Установка ВКЗ	2,4	ШЦМ
2,4	Всего ШЦМ

Стоимость данной работы (собственно, установки системы мониторинга) вычислена в таблице 5.5.

Таблица 5.5 Определение стоимости работы по установке системы мониторинга

Вид затрат	Количество единиц	Месячный оклад, руб	Фонд ЗП
			Месячный	Годовой
1. Основная ЗП:
ШЦМ ШН	0,014 0,005	10 000 18 000	142,01 95,86	1704,14 1150,30
ИТОГО:	237,87	2854,44
2. Замещение отпускников	8%		19,03	228,36
3. Премиальные	20%		47,57	570,89
4. Разъездной характер работ	20%		47,57	570,89
5. Вредность	0%		0,00	0,00
6. Социальные нужды	26%		61,85	742,15
ВСЕГО:	413,89	4966,72

Подведем своеобразный промежуточный итог. Стоимость одного измерительного блока, согласно спецификации, составляет 7 316,30 рублей (вычислено по оптовым ценам на каждый элемент, входящий в состав сборки).

Теперь произведем калькуляцию. Данный расчет необходим для учета отчислений на социальные нужды, накладных расходов и вычисленных ранее: как стоимости проведения работ по установке измерительной системы, так и спецификационной стоимости основных материалов. Данный расчет сведён в таблицу 5.6.

Таблица 5.6 Калькуляция. Определение сметной стоимости работ

№ п/п	Основание	Статьи затрат	Процент к расходам на оплату	Стоимость, руб.
1		Средняя ЗП в расчете принимается за: 14 000 руб.
		а) расходы на оплату труда	100%	14 000,00
		б) Расходы на оплату труда руководителям и вспомогательным работникам	15%	2 100,00
ИТОГО:	16 100,00
2	Таблица 5.3	Стоимость основных материалов	--	7 316,30
3	Таблица 5.5	Оплата труда по установке системы	--	4 966,72
4		Отчисления на социальные нужды	26%	4 186,00
5		Накладные расходы	48%	7 728,00
ВСЕГО:	24 197,02
6		Прибыль	18%	4 355,46
7		Сметная стоимость работ (с учетом прибыли)		28 552,48
8		НДС	18%	5 139,45
ВСЕГО (смета и НДС):	33 691,93

Помимо сборки и установки измерительного блока, необходимо производить и его обслуживание. Обслуживание состоит в замене элемента питания. В следующем подразделе мы определим периодичность и стоимость данной работы.

5.3 Вычисление затрат на обслуживание прибора для осуществления удалённого мониторинга сопротивлений заземлителей

Прежде всего следует вычислить срок службы одной батареи питания. Для этого приведем приблизительные технические характеристики разработанного прибора. Здесь следует уточнить, что тип элемента питания - батарея GDP-16 производства фирмы Phillips. Ёмкость такого элемента питания составляет 1200 мА•ч. Потребляемая прибором мощность в режиме ожидания (средняя для блоков напряжения и тока) составляет 0,025 мА•ч, та же величина в режиме измерений (активном режиме) составит уже 0,42 мА•ч, что храктерно.

Наибольшая вероятность грузового периода в Мурманской области приходится на месяцы с мая по сентябрь включительно (5 месяцев всего). Предположим по одному срабатыванию на каждую неделю данного периода. Тогда общее число срабатываний можно определить как:

n = 5 (мес) Ч 4 (нед) = 20 (срабатываний).

Условимся о своеобразном «запасе» в 50% от полученной величины, тогда:

n' = n + 0,5 Ч n = 20 + 20 / 2 = 30 (срабатываний).

Время измерения после срабатывания в среднем можно принять за одну минуту (позволяет зафиксировать до 20 000 молниевых импульсов длительностью в 50 мкс). Таким образом в рабочем режиме схема будет находиться:

T^изм_Эксп = 30 Ч 1 мин = 30 мин = 0,5 час.

За это время схема потребит мощность в размерности ёмкости батареи:

W_пот1 = T^изм_Эксп Ч W^раб_пот = 0,5 Ч 0,43 = 0,215 мА•ч.

Общий период работы схемы на данной батарее, с учетом времени в режиме ожидания составит:

Таким образом, можно утверждать, что замена элементов питания может производиться электромонтёром раз в 5,95 лет. Для повышения надёжности работы схемы, сократим этот интервал до 5,5 лет. На данную работу, исходя из конструкции прибора, достаточно отвести 0,1 часа.

Таким образом, можно произвести вычисление штата, как это было сделано ранее, для оценки затрат на годовой период. В таблице 9 представлено определение нормы времени на замену элемента питания, производимую раз в 5,5 лет.

Таблица 5.7 Определение нормы времени на обслуживание системы

Виды работ	Норма времени	Исполнитель
1. Замена батареи питания	0,1	ШЦМ
0,1	Всего ШЦМ

По данным таблицы 9 произведено вычисление штата, в соответствии с тем, как это было сделано ранее:

ц_ШЦМ = (0,1 / 169) ? 0,00059 штат. ед.

Стоимость данной работы (собственно, установки системы мониторинга) вычислена в таблице 10.

Таблица 5.8 Определение стоимости работы по измерению заземлителей

Вид затрат	Количество единиц	Месячный оклад, руб	Фонд ЗП
			Месячный	Годовой
1. Основная ЗП:
ШЦМ	0,00059	10 000	5,92	71,01
ИТОГО:	5,92	71,01
2. Замещение отпускников	8%		0,47	5,68
3. Премиальные	20%		1,18	14,20
4. Разъездной характер работ	20%		1,18	14,20
5. Вредность	0%		0,00	0,00
6. Социальные нужды	26%		1,54	18,46
ВСЕГО:	10,30	123,55

Для получения полной картины, требуется добавить в эту сумму стоимость двух элементов питания, и поделить её на 5,5 (так мы добьёмся вычисления стоимости работы в год). Прибыль от внедрения рассматриваемой системы мониторинга, составит:

C = 9 340,4 - (123,55 + 80 Ч 2 / 5,5) = 9 288,85 (руб).

5.4 Определение срока окупаемости проекта

Расчеты по нахождению срока окупаемости проекта приведены в таблице 11 данного дипломного проекта. Как видно из приведённой таблицы, прибор окупит свою установку уже после третьего года внедрения его на местности.

Таблица 5.9 Вычисление накопления прибылей за пятилетний период

Год расчетного периода	Прибыль	Единовременные затраты	Коэффициент дисконтирования	Прибыль, приведённая к расчетному году	Единовременные затраты, приведённые к расчетному году	Последовательная сумма
						Прибыли	Единовременных затрат
	Пt = Rt - Иt	Kt	At	Пt • At	Кt • At	?Аt•(Rt - Иt)	?Аt•Kt
0	0,00	33 691,93	1,000	0,00	33 691,93	0,00	33 691,93
1	9288,85	0,00	0,909	8 443,56	0,00	8 443,56	33 691,93
2	9288,85	0,00	0,826	7 672,59	0,00	16 116,15	33 691,93
3	9288,85	0,00	0,751	6 975,92	0,00	23 092,08	33 691,93
4	9288,85	0,00	0,683	6 344,28	0,00	29 436,36	33 691,93
5	9288,85	0,00	0,621	5 768,37	0,00	35 204,73	33 691,93

На рисунке 5.1 представлено графическое отображение скрока окупаемости проекта.

Рис. 5.1 Получение срока окупаемости системы мониторинга сопротивлений заземлителей.

5.5 Выводы

В ходе выполнения расчетов по экономической части настоящего дипломного проекта были произведены рассмотрение и анализ существующей ситуации по измерению сопротивлений заземляющих устройств, расчет затрат на изготовление и установку датчика, проектирование которого произведено ранее, вычисление стоимости работ по обслуживанию датчика. В конечном итоге была приведена графическая зависимость, позволяющая получить срок окупаемости проекта, то есть период времени, за который данный проект оправдает вложенные в него финансовые средства. В рассматриваемом случае, как видно из рисунка, срок окупаемости проекта составляет приблизительно 4,7 года.

6. Охрана труда при работе в электроустановках

6.1 Введение

Охрана труда - это система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе производства.

Человек, попадая в зону работы железнодорожного транспорта, подвергается повышенной опасности механического травматизма, электротравматизма, вредного воздействия шума, вибраций, электромагнитных полей, негативных микроклиматических факторов, загрязненного атмосферного воздуха и других.

Необходимо создавать безопасные условия труда на своем рабочем месте или на производственном объекте с целью снижения травматизма, заболеваемости и с целью обеспечения высокой работоспособности. Это, в свою очередь, повысит надежность человеческого фактора как основного звена производственного процесса.

На железных дорогах и предприятиях федерального железнодорожного транспорта безопасность и комфортность производственной среды обеспечиваются комплексом правовых документов (по видам деятельности), носящих обязательный характер. Все многообразие законодательных актов, мероприятий и средств направлено на создание таких условий труда, при которых исключено воздействие на работающих опасных и вредных производственных факторов. В системе МПС России учеными постоянно ведутся исследования по вопросам охраны труда и безопасности трудовых процессов; инженерами, конструкторами и технологами проводятся разработки современного (более безопасного) оборудования, современных технологий, средств защиты, методов контроля.

6.2 Классификация вредных и опасных факторов производственной среды

Классификация вредных и опасных факторов производственной среды разработана организациями Госсанэпиднадзора Минздрава России и изложена в нормативном документе Р2.2.755-99 - «Гигиенические критерии оценки и классификация условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса».

Вредный производственный фактор - это такой фактор производственной среды и трудового процесса, воздействие которого на работающего при определенных условиях (интенсивность, длительность и другие), может вызвать профессиональные заболевания, временное или стойкое снижение работоспособности; повысить частоту соматических и инфекционных заболеваний; привести к нарушению здоровья потомства.

Опасный производственный фактор - это фактор производственной среды и трудового процесса, который может явиться причиной острого заболевания или внезапного резкого ухудшения здоровья, смерти.

К вредным производственным факторам относятся физические, химические, биологические факторы; тяжесть и напряженность труда.