Система автоматического регулирования температуры воды в аквариуме

Размещено на http://www.allbest.ru/

27

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева

Факультет энергетики и машиностроения

Кафедра энергетики и приборостроения

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему:

Система автоматического регулирования температуры воды в аквариуме

по дисциплине

Элементы устройств автоматики и релейной защиты

Петропавловск 2011Содержание

Введение

1. Характеристика объекта управления

2. Конструкция и принцип действия терморегулятора

3. Структурная схема САР температуры воды

4. Выбор коммутирующего устройства

5. Выбор исполнительного устройства

6. Выбор задающего устройства

7. Выбор первичного преобразователя

8. Расчет надежности проектируемого устройства

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Современная теория автоматического регулирования является основной частью теории управления. Система автоматического регулирования состоит из регулируемого объекта и элементов управления, которые воздействуют на объект при изменении одной или нескольких регулируемых переменных. Под влиянием входных сигналов (управления или возмущения), изменяются регулируемые переменные. Цель же регулирования заключается в формировании таких законов, при которых выходные регулируемые переменные мало отличались бы от требуемых значений. Решение данной задачи во многих случаях осложняется наличием случайных возмущений (помех). При этом необходимо выбирать такой закон регулирования, при котором сигналы управления проходили бы через систему с малыми искажениями, а сигналы шума практически не пропускались.

В настоящее время развиваются методы анализа нелинейных систем автоматического регулирования. Нарушение принципа суперпозиции в нелинейных системах, наличие целого ряда чередующихся (в зависимости от воздействия) режимов устойчивого, неустойчивого движений и автоколебаний затрудняют их анализ.

Как теория автоматического регулирования, так и теория управления входят в науку под общим названием «техническая кибернетика», которая в настоящее время получила значительное развитие. Техническая кибернетика изучает общие закономерности сложных динамических систем управления технологическими и производственными процессами. Техническая кибернетика, автоматическое управление и автоматическое регулирование развиваются по двум основным направлениям: первое связано с постоянным прогрессом и совершенствованием конструкции элементов и технологии их изготовления; второе - с наиболее рациональным использованием этих элементов или их групп, что составляет задачу проектирования систем.

Проектирование систем автоматического регулирования можно вести двумя путями: методом анализа, когда при заранее выбранной структуре системы (расчетным путем или моделированием) определяют ее параметры; методом синтеза, когда по требованиям, к системе сразу же выбирают наилучшую ее структуру и параметры. Оба эти способа получили широкое практическое применение.

Определение параметров системы, когда известна ее структура и требования на всю систему в целом, относится к задаче синтеза. Решение этой задачи при линейном объекте регулирования можно найти, используя, например, частотные методы, способ корневого годографа или изучая траектории корней характеристического уравнения замкнутой системы. Выбор корректирующего устройства методом синтеза в классе дробно-рациональных функций комплексного переменного можно выполнить с помощью графоаналитических методов. Эти же методы позволяют синтезировать корректирующие устройства, подавляющие автоколебательные и неустойчивые периодические режимы в нелинейных системах.

Дальнейшее развитие методы синтеза получили на основе принципов максимума и динамического программирования, когда определяется оптимальный с точки зрения заданного критерия качества закон регулирования, обеспечивающий верхний предел качества системы, к которому необходимо стремиться при ее проектировании. Однако решение этой задачи практически не всегда возможно из-за сложности математического описания физических процессов в системе, невозможности решения самой задачи оптимизации и трудностей технической реализации найденного нелинейного закона регулирования. Необходимо отметить, что реализация сложных законов регулирования возможна лишь при включении цифровой вычислительной машины в контур системы. Создание экстремальных и самонастраивающихся систем также связано с применением аналоговых или цифровых вычислительных машин.

Формирование систем автоматического регулирования, как правило, выполняют на основе аналитических методов анализа или синтеза. На этом этапе проектирования систем регулирования на основе принятые допущений составляют математическую модель системы и выбирают предварительную ее структуру. В зависимости от типа модели (линейная или нелинейная) выбирают метод расчета для определения параметров, обеспечивающих заданные показатели устойчивости, точности и качества. После этого уточняют математическую модель и с использованием средств математического моделирования определяют динамические процессы в системе. При действии различных входных сигналов снимают частотные характеристики и сравнивают с расчетными. Затем окончательно устанавливают запасы устойчивости системы по фазе и модулю и находят основные показатели качества.

Далее, задавая на модель типовые управляющие воздействия; снимают характеристики точности. На основании математического моделирования составляют технические требования на аппаратуру системы. Из изготовленной аппаратуры собирают регулятор и передают его на полунатурное моделирование, при котором объект регулирования набирают в виде математической модели.

По полученным в результате полунатурного моделирования характеристикам принимают решение о пригодности работы регулятора с реальным объектом регулирования. Окончательный выбор параметров регулятора и его настройка выполняют в натурных условиях при опытной отработке системы регулирования.

Задачей автоматического регулирования и управления является автоматическое выполнение в определённой последовательности различных операций и поддержанию величин, характеризующих производственный процесс, на выполнение определённых, заданных значений или принудительное изменение этих величин по заранее описанному закону.

1. Характеристика объекта управления

Аквариум - настоящий мир со своей весьма богатой флорой и фауной и живые организмы, населяющие его, могут существовать в определённом, характерном для них температурном диапазоне. За пределами данного диапазона нормальное протекание жизненных процессов организмов невозможно.

Для содержания рыб и растений в аквариуме также важно поддерживать определённую температуру, при которой они хорошо живут и размножаются. Известно, что изменение температуры среды влияет на температуру тела рыб и растений и ведёт к изменению скорости обменных биохимических процессов в организмах, что в значительной степени отражается на их здоровье и состоянии. Скорость протекания химических реакций с повышением температуры на 10 градусов С возрастает в 2-3 раза, причём ускорение биохимических процессов при нагревании не является неограниченными. При определённой температуре активность организма спадает, и её сменяет фаза угнетения.

Рыбы, которые обитают в умеренных зонах земного шара являются эвритермными организмами, способными существовать в широком температурном диапазоне. В одних случаях они погружаются в зимнюю или летнюю спячку, перестают принимать пищу, становятся неподвижными, зарываются в ил. В других случаях они пытаются уйти от неблагоприятных для них условий и совершают сезонные миграции. Резкое и сильное изменение температуры вызывает шоковое состояние, при котором рыбы теряют способность самостоятельно покинуть опасную зону, и, если условия не изменяются, гибнут.

Амплитуда сезонных и суточных колебаний температуры в водоёмах тропического пояса невелика. В связи с этим рыбы, обитающие в них, являются по большей части стенотермными видами, которые требуют поддержания в аквариуме постоянной, относительно высокой температуры. Обычная для жилых помещений температура воздуха около 18-22 градусов С для многих экзотических видов рыб явно недостаточна. Многие любители содержат аквариумных рыб при комнатной температуре, забывая о том, что, если в комнате на термометре будет 22 градуса С, то в аквариуме вода всегда на 2 градуса С ниже.

Разница температур может отрицательно сказаться на состоянии теплолюбивых рыб, большинство из которых не выдерживают температуры ниже 18-20 градусов С, и мальков. В связи с этим при колебании температуры необходим искусственный подогрев воды. С этой целью используют электрические обогревательные приборы.

Чтобы довести холодную водопроводную воду до тропической температуры 24-30 градусов С, нужно её подогреть и поддерживать на достигнутом уровне. При этом следует учитывать, что подогретая вода без дополнительных усилий снова охлаждается до температуры окружающей среды (комнатной). У большинства аквариумов тепловой изоляции нет, а стекло не является настоящим изолятором (даже органическое стекло в этом смысле более эффективно). Итак, для подогрева воды требуются две вещи: обогреватель и регулятор. Некоторые приборы объединяют эти функции, и тогда их называют терморегуляторами. Не менее важно, чтобы отдаваемое обогревателем тепло равномерно распределялось по резервуару, так как образование разных тепловых зон помешает свободному движению многих видов рыб в аквариуме. В прежние времена для большинства аквариумов использовали пористые камни. Они способствовали вихревому движению воды, и за счёт этого тепло распределялось по аквариуму. В наши дни это происходит благодаря равномерному действию помп-фильтров, приводящих воду в движение.

2. Конструкция и принцип действия терморегулятора

Для поддержания постоянной температуры в аквариуме, независимо от температуры воздуха в помещении, следует использовать нагреватель с терморегулятором. Когда вода нагревается до необходимой температуры, терморегулятор отключает нагреватель, а при снижении температуры воды примерно на 0,5°С грелка автоматически включается.

Существуют различные мнения по поводу применения терморегуляторов. Некоторые аквариумисты считают, что применение терморегулятора, стабилизирующего температурный режим, нарушает естественное суточное колебание температуры в водоеме. Известно, что днем температура воды повышается за счет нагрева ее солнцем, а в ночное время вода остывает. В тропиках эти колебания обычно не превышают 1 - 2° С. В аквариуме, где применяется терморегулятор, температура воды днем и ночью примерно одинакова. Но, как показывает практика, рыбы и растения чувствуют себя в аквариуме с терморегулятором не только не хуже, а даже значительно лучше, чем без него. Кроме того, исключается случайный перегрев воды.

Для аквариума с растениями применение терморегулятора очень желательно, так как большинство гидрофитов является выходцами из тропиков, где вода, как правило, постоянно имеет высокую температуру.

Размещение терморегулятора относительно нагревателя в аквариуме имеет существенное значение для равномерного нагрева воды. Терморегулятор целесообразно размещать не далее чем в 3 - 5 см от нагревателя, так как в этом случае термодатчик, быстро нагреваясь до установленной температуры, включает нагреватель на короткое время и включает его при притоке более холодной воды, тем самым, удлиняя срок службы нагревателя и обеспечивая более равномерное (но и более медленное) прогревание воды в аквариуме.

В аквариуме, находящемся в теплом помещении, нагреватель можно разместить у боковой стенки или в углу. А в холодном помещении, где без обогрева температура воды опускается ниже 20°С, желательно расположить грелку у дна аквариума, или, еще лучше, в грунте. Идеальным вариантов для такого водоема считается подогрев со дна. При этом равно мерно прогревается вся толща воды и, самое главное, прогревается грунт, что очень важно для хорошего роста тропических растений. Какие обогреватели для этого использовать, существенного значения не имеет, главное - их доступность и надежность.

Предлагается простой регулятор температуры прогрева воды, выполненный на интегральном компараторе К554САЗ. Как известно, выходное напряжение компаратора может находиться лишь, на стандартных уровнях логической 1 или 0 в зависимости от соотношения напряжений сигнала и опорного напряжения . Выходная мощность К554САЗ достаточна для управления исполнительным реле. Таким образом, не требуется мощного дополнительного выходного транзистора.

Пределы регулирования температуры воды для аквариума можно ограничить пределом от 16 до 30° С. Точность регулирования в основном определяется градуировкой регулятора и составляет ?t = 0,5°С. Схема регулятора представлена на рисунке 2.1. Резисторы R1 - R4 включены по мостовой схеме. Диагональ моста подключена к компаратору DА1. При превышении напряжением сигнала опорного напряжения на выходе DА1 появляется логический 0. Реле К1 включается и своими контактами К1.1 и К1.2 подключает нагревательный элемент ЕК к напряжению ~220В, при этом включается контрольная лампочка НL2 “Нагрев”. При нагревании воды сопротивление терморезистора R4 уменьшается, и при достижении компаратор переключается. Реле отключается, и нагрев воды прекращается. Для получения более высокой температуры нагрева воды надо уменьшить , т. Е. уменьшить сопротивление резистора R2.

Для градуировки устанавливают рядом термосопротивление R4 и термометр в емкости с водой. Замерив температуру воды и при необходимости подогревая ее до нужной температуры (например, 20° С), устанавливают движок резистора R2 в положение, когда дальнейший его поворот включает реле К1 (контроль по светодиоду НL2). Точность градуировки ± 0,5° С.

Детали. Реле К1 - типа РЭН32. Ее контакты могут управлять тринистором, включенным в диагональ диодного моста в цепи нагревателя , или симистором (рисунок 2.2 а, б). Если удастся приобрести оптрон АОУ103В, можно вообще обойтись без реле. Примеры использования этого оптрона для коммутации цепи питания электронагревателя показаны, на рисунке 2.2 в и г. Терморезистор R4 - типа ТРА-1. Применены неоновые лампы ТН-0,2-1. Трансформатор Т1 - на напряжение 220В/27В, вторичная обмотка рассчитана на силу тока 200…300 мА.

В качестве нагревательного элемента ЕК использованы четыре сопротивления типа ПЭВ-20 по 1500 Ом каждый, включенные параллельно. Это дает мощность нагревателя 100 Вт. Нагревательный элемент помещен в стеклянную трубку диаметром 20 мм и длиной 200…250 мм. Для лучшего теплообмена со средой свободное пространство в трубке засыпано кварцевым песком. Пробка залита эпоксидной смолой. Терморезистор помещен в стеклянную трубку диаметром 7 мм. Один конец трубки оплавлен, второй залит эпоксидной смолой. Следует обратить особое внимание на тщательность изготовления нагревателя с точки зрения электробезопасности.

Нагреватель рассчитан, на аквариум емкостью 50…100 л. При этом нагреватель помещают в зону аэрации для снижения градиента температур по объему аквариума.

Можно избежать изготовления самодельного нагревательного элемента, если использовать, например, выпускаемый промышленностью электрокипятильник мощностью не более 200 В А или какой-либо другой готовый прибор с подходящей мощностью.

Таблица 2.1 Зависимость температуры от ёмкости резервуара (аквариума).

Ёмкость резервуара (в литрах)	Подогрев воды в сравнении с комнатной температурой (в ° С)
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
20	2	4	6	9	12	14	15	17	20	22	24	26
40	4	8	10	14	17	20	24	28	32	35	38	42
60	5	10	14	18	22	27	32	36	42	45	50	56
80	6	12	16	22	27	32	38	44	48	54	60	66
100	7	14	20	26	32	38	44	50	56	62	68	76
120	8	15	22	28	38	44	50	56	62	70	78	86
150	9	16	26	34	42	50	56	64	72	84	90	98
180	10	18	28	36	44	52	64	72	84	90	98	112
200	11	20	30	40	52	62	72	84	90	100	112	120
250	12	24	36	46	58	68	80	90	98	112	120	140
400	16	16	32	46	64	80	96	112	130	160	175	190
600	20	20	40	64	80	98	120	140	165	200	225	250
800	25	50	72	100	120	150	170	180	200	250	280	300
1000	30	60	88	112	150	170	205	220	260	280	320	350

3. Структурная схема САР температуры воды

Описание элементов структурной схемы

ЗУ - задающее устройство;

ИУ - исполнительное устройство;

КУ - коммутирующее устройство;

ОР - объект регулирования;

Д - датчик.

Данная система автоматического регулирования разработана для поддержания оптимальной (заданной) температуры в объекте регулирования (аквариуме). При понижении температуры датчик, представленный терморезистором, отслеживает эти изменения и передаёт сигнал на сравнивающее устройство (сумматор). Одновременно на сравнивающее устройство поступает сигнал с задающего устройства. В случае отклонения от установленного значения подаётся сигнал на коммутирующее устройство, коммутирующее контакты включения исполнительного устройства (нагревательного элемента). Таким образом достигается поддержание оптимальной температуры.

4. Выбор коммутирующего устройства

В качестве коммутирующего устройства в схеме автоматического регулирования температуры выступает реле РЭН32 исполнения РФ4.519.021-07, способное коммутировать контакты К1.1 и К1.2 для включения и отключения нагревательного элемента ЕК. Частные характеристики данного реле приведены в таблице 4.3.

Реле РЭН32 - зачехленное, двухпозиционное, одностабильное, с двумя переключающими контактами, предназначенное для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока.

Реле РЭН32 соответствует требованиям ГОСТ 16121-86 и техническим условиям РФ0.450.032ТУ.

Условия эксплуатации.

Температура окружающей среды от -60 до +85С.

Повышенная относительная влажность до 98% при температуре +35в течение не более пяти суток. Повторное пребывание реле в этих условиях допускается после выдержки реле в нормальных климатических условиях не менее 12 часов.

Атмосферное давление от 39990 до122360 Па.

Синусоидальная вибрация (вибропрочность и виброустойчивость) в диапазоне частот: от 5 до 50 Гц - с амплитудой не более 1 мм: о 50 до 120 Гц - с ускорением до 75м/с² ; от 120 до 200 Гц - не более 120 м/с² .

Ударная прочность. При одиночных ударах с ускорением не более 1500 м/с² - 9 ударов. При многократных ударах с ускорением не более 350 м/с² - 10000 ударов.

Ударная устойчивость - с ускорением не более 120 м/с² .

Постоянно действующее линейное ускорение не более 90 м/с² .

Требование к надежности. Минимальный срок службы и срок сохраняемости реле при хранении в условиях отапливаемого хранилища, а также вмонтированных в защищенную аппаратуру или находящиеся в комплекте ЗИП - 12 лет.

При нахождении реле в условиях отличных от указанных, срок сохраняемости сокращается в соответствии с коэффициентами, приведенными в таблице 4.1.

Таблица 4.1 Условия хранения реле РЭН32.

Условия хранения	Коэффициент сокращения сроков сохранности реле
	В упаковке предприятия-изготовителя	Вмонтированных в аппаратуру
Неотапливаемое хранилище	3
Под навесом На открытой площадке	4 Не допускается	4

Технические характеристики.

Ток питания обмотки - постоянный.

Сопротивления изоляции между токоведущими элементами, между токоведущими элементами и корпусом, Мом, не менее:

· в нормальных климатических условиях (обмотка обеспеченна)

· в условиях повышенной влажности:

· между контактами, между контактами и корпусом

· между обмоткой и корпусом

· при максимальной повышенной температуре (после выдержки обмотки под рабочим током)

Испытательное переменное напряжение между токоведущими элементами, между токоведущими элементами и корпусом, В:

· в нормальных климатических условиях

· в условиях повышенной влажности

· при атмосферном давлении 39900 Па

Время непрерывной или суммарной работы реле, ч:

· при нормальном атмосферном давлении и максимальной температуре окружающей среды

· при атмосферном давлении 39900 и максимальной температуре окружающей среды

Время срабатывания реле не более 25 мс. Время отпускания не более 14 мс.

Материал контакта - Ср999. Сопротивление электрического контакта не более 0,1 Ом.

Масса реле не более 130г.

Таблица 4.2 Износостойкость реле РЭН 32.

Режим коммутации	Вид нагрузки	Род тока	Число коммутационных циклов
Допустимый ток, А	Напряжение на разомкнутых контактах, В			При нормальной температуре	При максимальной температуре
0,1-2,0	12-30	Индуктивная,	Постоянный
0,1-0,5	12-1230	Активная	Постоянный Переменный
0,1-0,5	12-250		Переменный
0,01-0,1		Индуктивная,	Постоянный

Таблица.4.3 Частные характеристики реле РЭН 32.

Исполнение	Сопротивление обмотки, Ом	Ток, мА	Максимальный допустимый ток в обмотке, мА
		Срабатывания, не более	Отпускания, не менее	Продолжительный	Кратковременный
РФ4 519.021-00 РФ4 519.021-01 РФ4 519.021-02 РФ4 519.021-03 РФ4 519.021-04 РФ4 519.021-05 РФ4 519.021-06 РФ4 519.021-07 РФ4 519.021-08 РФ4 519.021-09 РФ4 519.021-10 РФ4 519.021-11	3500525 79079 19019 707 303 181,8 7,80,78 20,2 0,630,063 0,300,03 0,180,018 0,1130,0113	141,4 303 606 10010 15015 20020 30030 57660 1032100 1500150 1660200 2500250	6,51,6 123 246 4010 6015 8020 12030 24060 400100 600150 800200 1000250	21,5 49,5 99 165 247 330 495 990 1650 2475 3300 4125	23,5 54 108 180 270 360 540 1080 1800 2700 3600 4500

5. Выбор исполнительного устройства

Резисторы - это пассивные элементы электрической цепи, которые характеризуются сопротивлением электрическому току. В зависимости от конструктивных особенностей токопроводящего элемента подразделяются на проволочные и непроволочные, регулируемые (переменные и подстроечные), нерегулируемые (или постоянные) и саморегулируемые.

Резисторы постоянные проволочные выпускают следующих типов: ПВК - многослойные влагостойкие I и II групп (резисторы II группы предназначены для работы в условиях сухого и влажного тропического климата), ПТМН - многослойные малогабаритные нихромовые, ПТМК - константановые, ПТ - проволочные точные, ПЭ - эмалированные трубчатые, ПЭВ - влагостойкие, ПЭВР - регулируемые, ОПЭВЕ - повышенной надежности и долговечности, ПЭВТ - термостойкие (тропические).

Проволочные резисторы, обладают высокой механической прочностью, стабильностью сопротивления и малым уровнем собственных шумов. аквариум терморегулятор

Нерегулируемые проволочные резисторы - ПЭВ с широким диапазоном мощностей и номиналов находят применение в промышленности, на транспорте, в энергетике и в сельском хозяйстве, выполняя функции нагрузочных сопротивлений и в качестве нагревателей.

Обладая высокой теплостойкостью, резисторы ПЭВ используются для работы в цепях постоянного и переменного тока. К основным достоинствам относится длительный ресурс работы, высокая мощность до 150Вт, устойчивость к воздействию агрессивной среды и высокая точность номинала.

При их производстве используются технологии остекления (на резисторах С5-35В применяется стандартная окраска), что позволяет повысить качественные характеристики и обеспечить работоспособность до 30 лет.

6. Выбор задающего устройства

В качестве задающего устройства в схеме автоматического регулирования температуры использован подстроечный резистор R2. Для градуировки подстроечного резистора R2 устанавливают рядом термосопротивление R4 и термометр в емкости с водой. Замерив температуру воды и при необходимости подогревая ее до нужной температуры (например, 20° С), меняют, установкой движка в положение, когда дальнейший его поворот включает реле К1, сопротивление резистора R2. Точность градуировки составляет ± 0,5° С.

В данном терморегуляторе резистор R2 представлен резистором ПЭВР100. Конструкция резисторов ПЭВР обеспечивает возможность регулирования сопротивления перемещение хомутика. Диапазон номинальных сопротивлений резистора ПЭВР100 находится в пределах 47-2700 Ом. Масса резистора не более 300 грамм. Параметры резисторов ПЭВР представлены в таблице 6.

7. Выбор первичного преобразователя

В схеме первичный преобразователь реализован в виде терморезистора R4, опущенного в аквариум и реагирующего на изменение температуры воды в нем. Терморезисторы предпочтительны для точного измерения температуры в дистанционных или малогабаритных устройствах или также применяют и для менее точных измерений температуры, когда нужно минимизировать общую стоимость системы, ибо высокая чувствительность терморезисторов ведет к упрощению электрических схем или контрольно-измерительных приборов. Таким образом, терморезистор R4 является датчиком температуры в этой схеме.

Самым эффективным методом прецизионного измерения температуры с помощью терморезистора является его включение совместно с корректирующей цепью в одно из плеч моста Уитстона, как это показано на рисунке 7.1, что и реализовано в нашей схеме автоматического регулирования температуры. Такое включение позволяет избежать «сжатие» шкалы измерительного прибора.

Соответственно в качестве датчика температуры выбираем терморезистор на основе монокристаллов полупроводникового алмаза типа ТРА-1. Это новые полупроводниковые приборы имеющие существенные преимущества по сравнению с ранее выпускавшимися терморезисторами.

Использование полупроводниковых монокристаллов алмаза в качестве термочувствительных элементов (ТЧЭ) имеет существенные преимущества, которые определяются следующими его уникальными свойствами:

· полное отсутствие диффузионных эффектов (работоспособность) до температуры около 1000°С;

· исключительная стойкость к агрессивным средам и радиации;

· абсолютная твердость,

· малая инерционность.

Терморезисторы типа ТРА-1 могут применяться в следующих электронных устройствах:

· аналоговые и цифровые термометры с пределом измерения от - 60°С до 300°С (причем эксплуатация при максимальных значениях температуры в течение 500 часов не приводила к заметному изменению градуировки);

· термокомпенсированные генераторы частоты;

· терморегуляторы с различной мощностью нагревателей;

· расходомеры жидкости и газа термоанемометрического типа;

· сигнализаторы минимального уровня жидкостей,

· и другие где применяются ТР с отрицательным ТКС.

8. Расчет надежности проектируемого устройства

Надежность является важнейшим показателем качества радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Безотказное функционирование РЭА в течение определенного интервала времени в одних случаях определяет успешность выполнения задачи, в других - качество работы, готовность к выполнению задач, экономические затраты.

Надежность - способность устройства выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Надежность - сложное свойство РЭА, которое в зависимости от назначения объекта, условий его применения состоит из сочетания свойств - безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости (ГОСТ 27002-83).

Безотказность - есть свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Наработка - это продолжительность или объем работы объекта.

Отказ - это событие, после которого система не выполняет своих функций в установленном объеме. Отказы бывают полные или перемежающиеся.

Полный отказ характеризуется тем, что параметры системы выходят за установленные нормы и пока он не будет устранён, использование системы не возможно.

Перемежающиеся отказы возникают на короткий промежуток времени, после которого система вновь восстанавливает свои свойства.

Отказы могу быть предсказываемые или случайные. Для предсказываемых отказов можно с некоторой сравнительно высокой точностью установить время их появления. Такие отказы иногда называют закономерными. Случайный же характер отказов является результатом большого количества факторов и сложных процессов, определяющих выходные параметры системы.

В зависимости от характера изменения выходного параметра конструкций отказы разделяются на две группы: постепенные и внезапные.

Постепенный отказ - это событие, наступившее в результате медленного изменения выходных параметров системы, после которого она не обеспечивает нормальную работу.

Внезапный отказ - это мгновенно наступившее событие, после которого система не обеспечивает нормальной работы.

Работоспособное состояние объекта такое, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации. Противоположное ему неработоспособное состояние - это то, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно-технической документации.

Долговечность - это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Предельное состояние - это состояние объекта, при котором его дальнейшее применение по назначению не допустимо или нецелесообразно либо восстановление его исправного или работоспособного состояния невозможно.

Как следует из определения, достижение предельного состояния может происходить в условиях, когда допустимо, выполняя ремонт, вернуть изделие в работоспособное состояние и продлить его срок службы. Тогда достижение предельного состояния еще не определяет долговечность.

Сохраняемость - это свойство объекта сохранять значения показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования.

По мере развития РЭА роль надежности как оценки качества аппаратуры возрастает, так как усложняются выполняемые аппаратурой функции, увеличивается количество элементов. Это усложнение приводит к возрастанию количества отказов и времени восстановления.

Надежность РЭА - понятие комплексное. Оно определяется принципом действия, схемой, конструкцией, технологией изготовления и условиями эксплуатации, а также надежностью элементной базы.

Показатель надежности - это количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих надежность объекта. Различают единичные показатели, когда характеризуется одно из свойств и комплексные показатели, характеризующие совместно несколько свойств, составляющих надежность объекта.

Количественно надежность РЭА оценивается по следующим критериям:

· вероятность безотказной работы в течение определенного времени P(t);

· среднее время до первого отказа T_ср;

· интенсивность отказов (t);

· функция готовности К_г(t);

· коэффициент готовности К_г.

Критерии надежности можно разделить на две группы:

· критерии, характеризующие надежность невосстанавливаемых изделий;

· критерии, характеризующие надежность восстанавливаемых изделий.

Восстанавливаемыми называют изделия, которые в процессе выполнения своих функций допускают ремонт. Если происходит отказ такого изделия, то прекращение функционирования изделия происходит только на период устранения отказа.

Невосстанавливаемыми называются такие изделия, которые в процессе выполнения своих функций не допускают ремонта. Если происходит отказ такого изделия, то выполняемая задача будет сорвана и ее выполнение будет необходимо начинать вновь после устранения отказа, если это возможно.

В соответствии с вышеизложенным в данном проекте необходимо рассчитать надежность восстанавливаемого изделия. На этапе технического проектирования расчет целесообразно проводить по известным характеристикам элементов расчета (резисторы, конденсаторы, микросхемы и т.д.).

Весьма удобной характеристикой надежности изделия является интенсивность отказов, так как она позволяет достаточно просто вычислить количественные показатели надежности простейших элементов, из которых состоит изделие.

Интенсивностью отказов называется отношение числа отказавших элементов в единицу времени к среднему числу элементов, исправно работающих в данный отрезок времени.

Интенсивность отказов изделия, состоящего из N элементов, определяется по формуле:

,

где: _i - интенсивность отказов i-го элемента с учетом всех воздействующих факторов.

Интенсивность отказов показывает, какая доля всех элементов данного типа в среднем выходит из строя за один час работы.

Элементы изделия находятся в различных режимах работы, значительно отличающихся от номинальной величины. Это влияет на надежность как изделия в целом, так и отдельных его составных частей. Поэтому для расчета надежности необходимо знать данные о коэффициенте нагрузки К_н отдельных элементов и о зависимости интенсивности отказов элементов от их электрической нагрузки и температуры окружающей среды:

_i = f( К_н, Т С).

При разработке и изготовлении элементов предусматриваются определенные, так называемые “нормальные” условия работы, которые приводятся в нормативно-технической документации (ГОСТ, ТУ): температура, относительная влажность, электрический режим, механические нагрузки и так далее.

Интенсивность отказов элементов в нормальных условиях эксплуатации называется нормальной интенсивностью отказов и обозначается _оi.

Интенсивность отказов элементов при эксплуатации в реальных условиях определяется по формуле:

_i = _oi * A_i * K_i,

где: A_i - поправочный коэффициент интенсивности отказов, учитывающий влияние температуры окружающей среды (Т, С), и электрической нагрузки (К_н):

A_i = f(K_i, Т, С),

где: K_i, - поправочный коэффициент интенсивности отказов, учитывающий воздействие, механических нагрузок и относительную влажность окружающей среды.

В качестве исходных данных принимаются интенсивности отказов групп элементов в типовых усреднённых условиях эксплуатации, приведенные в таблице 8.1. Данные цифры рассчитаны по вышеприведенным формулам для следующих условий: температура окружающей среды 30С, коэффициенты электрической нагрузки 0,4, механическое и ионизирующее излучение практически отсутствует.

Таблица 8.1 Показатели надежности разрабатываемого устройства

Наименование элемента	Количество элементов, Ni	010-6, 1/час	0 Ni10-6 1/час
Резистор постоянные проволочные	11	5,4	59,4
Резисторы переменные	1	4,0	4
Конденсатор	1	2,0	2,0
Вилка	1	0,1	0,1
Светодиод	2	1,0	2,0
Диодный мост	1	2,0	2,0
Трансформатор	1	1,0	4,2
Предохранитель	1	2,0	2,0
Терморезистор	1	6,0	6,0
Реле электромагнитное слаботочное	1	0,8	0,8
Диод	1	2,0	2,0
Итого:	=82,5

Среднее время безотказной работы или наработки на отказ определяется как:

T_cp = 1/ _,

где: - суммарная интенсивность отказа.

Таким образом:

T_cp =1/(82,5*10^-6)= 12121,2 часа.

При круглосуточной работе получается, что разработанный терморегулятор проработает до первого отказа 16,5 месяцев.

Вероятность безотказной работы определяется соотношением:

P=exp (-t/T_ср).

Данные расчета вероятности безотказной работы сведены в таблицу 8.2.

Таблица 8.2 Вероятность безотказной работы терморегулятора

t	1	10	100	1000	10000	100000	1000000
P(t)	0,999	0,9991	0,9918	0,92	0,44	0,276*10-3	0

По данным таблицы 8.2 построен график зависимости вероятности безотказной работы от времени, приведенный на рисунке 8.

Разрабатываемый терморегулятор относится к классу ремонтно-пригодных, поэтому он характеризуется такими критериями, как время восстановления, коэффициент готовности и коэффициент простоя.

Интенсивность отказов и средняя наработка на отказ характеризуют надежность изделия и не учитывают времени, требуемого на его восстановление. Поэтому необходимо рассчитать такие показатели, как время восстановления схемы и коэффициент готовности К_г.

Среднее время востановления Т_в конкретного усторойства зависит от степени его ремонтопригодности и может быть выбранно из ряда 1; 2; 4; 6; 8; 10; 12; 18; 24; 36; 48 часов. Принимаем Т_в=2 часам. Тогда:

.

Коэффициент готовности это вероятность того, что в произвольно выбранный момент времени изделие будет работоспособно:

.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы была разработана и исследована САР температуры воды в аквариуме, разработана структурная схема САР.

Целью автоматического регулирования является поддержание определённого закона изменения одной или нескольких физических величин характеризующих процессы, протекающие в объекте регулирования. Данная задача была реализована разработкой САР температуры - терморегулятора. Разработанная САР температуры является одномерной, так регулируется одна величина - температура. В курсовой работе были рассмотрены вопросы, касающиеся выбора элементов САР. Выбранные элементы отвечают всем техническим требованиям и условиям эксплуатации.

Определена помехозащищенность, надежность и погрешность измерений рассматриваемой САР.

Список использованной литературы

1 Журнал Аквариум. Рубрика: аквариумное оборудование,1996/2.

2 Р. Г. Варламов. Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Советское радио, 1975.

3 А.Н.Марченко Переменные резисторы. - М.: Энергия, 1980.

4 Мэклин Э. Д. Терморезисторы. - М. 1983, 208 с.

5 А.И.Аксенов, А.В.Нефедов. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры (конденсаторы, резисторы). Справочник. - М.: Радио и связь, 1955.

6 Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Издательство: Беларусь, 1994.

7 Справочник по элементам радиоэлектронных устройств, под ред. В. Н. Дупина, М. С. Жука. М.-М.: Энергия, 1977.

Размещено на Allbest.ru