3.2.3 Требования к выполняемым функциям

Измерительный прибор должен выполнять следующие функции:

1) измерение напряженности электрического поля;

2) измерение напряжённости магнитного поля;

3) измерение плотности потока энергии электромагнитного поля высокой частоты;

4) передача результатов измерения в пункт сбора информации по стандарту USB или RS-232.

3.2.4 Требования к техническим характеристикам

Требования к техническим характеристикам приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики прибора

Наименование параметра	Значение
Диапазон частот, Гц	от 0 до 4 ГГц
Диапазон измерения напряженности электрического поля, кВ/м	от 0,1 до 75
Диапазон измерения напряженности магнитного поля, кА/м	от 0,08 до 20
Предел допускаемой относительной погрешности, %
Напряженности электрического поля	20
Напряженности магнитного поля	20
Время установления рабочего режима, мин	1
Время непрерывной работы без подзарядки аккумуляторной батареи, ч	4
Напряжение питания, В	12
Масса, кг, не более	0,8

3.2.5 Требования к климатическим условиям эксплуатации

Таблица 3.2-Требования к климатическим условиям эксплуатации

Температура окружающего воздуха, єС	от 0 до + 50
Атмосферное давление, кПа	от 86 до 106
Относительная влажность воздуха при температуре 35є С,%	от 40 до 98

3.2.6 Требования к надежности

Таблица 3.3 - Требования к надежности

Срок службы, лет, не менее	5
Наработка на отказ, ч, не менее	5000

3.2.7 Требования к измерительным преобразователям

Таблица 3.4-Требования к измерительным преобразователям

Чувствительность прибора на расстоянии 200 мм, Вт	20
Единицы измерения	мТл (А/м), В/м
Напряжение питания, В, не более	±9
Размеры, мм, не более	5010050
Масса, кг, не более	0,1

3.2.8 Требования к устройству передачи данных

Таблица 3.5 - Требования к устройству передачи данных

Интерфейс	USB или RS-232
Пропускная способность, Кбит / с	192

3.2.9 Требования к блоку питания

Таблица 3.6 - Требования к блоку питания

Номинальное выходное напряжение, В	±12
Емкость, мАмпер-час, не менее	1200
Максимальная постоянная нагрузка, мА	120
Размер, мм, не более	503020
Масса, кг	0,050

3.3 Структурная схема технологической платформы

Рисунок 3.1 Структурная схема технологической платформы

3.4 Вариант оснащения технологической платформы

Рисунок 3.2 - Вариант оснащения технологической платформы

Интегрирующее устройство представлено комплексом из микроконтроллера и коммутатора сигналов. Коммутатор сигналов предназначен для того, чтобы переключить активный модуль связи с конечным прибором (то есть именно коммутатор управляет тем, с какого именно из подключенных приборов принимаются данные в каждый момент времени).

Связь между ПЭВМ и микроконтроллером осуществляется по интерфейсу RS-232. Для согласования уровней напряжения используется микросхема MAX-232 [7]. Такая же микросхема необходима на входе коммутатора, чтобы преобразовать сигналы с прибора П3-41 (который также общается по интерфейсу RS-232).

Роль микроконтроллера в данной схеме - это преобразование сигналов, получаемых от прибора П3-41, в общий формат, а также расшифровка сигналов из ПЭВМ и управление конфигурацией П3-41 (путём передачи на него управляющих команд в формате прибора). Клиентское программное обеспечение на ПЭВМ осуществляет универсальных приём, регистрацию и обработку этих сигналов. В точно таком же формате проводится приём сигналов с любого другого прибора, подключенного к интегрирующему аппарату.

В данном устройстве используется микроконтроллер на аппаратной платформе Arduino. Arduino позволяет компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами. Язык программирования устройств Arduino основан на C/C++.

На рисунке 3.3 представлена принципиальная схема прибора с выделением функциональных блоков. Приведена схема подключения согласующей микросхемы MAX232, а также реализация коммутатора сигналов с использованием логических элементов типа «И». Технологическая плата Arduino контролирует коммутатор сигналов при помощи встроенных контактов 2 и 3.

Рисунок 3.3 - Принципиальная схема технологической платформы

3.5 Программное обеспечение

В рамках дипломной работы было разработано программное обеспечение (ПО), предназначенное для записи в микроконтроллер на плате Arduino, а также для установки на ПЭВМ, которая осуществляет управление технологической платформой.

Для разработки ПО был выбран язык программирования C++, поскольку он обеспечивает максимальную совместимость с технологической платой Arduino, а также с распространёнными операционными системами.

На рисунке 3.4 приведена блок-схема алгоритма работы прошивки микроконтроллера.

Рисунок 3.4 - Блок-схема прошивки микроконтроллера

Для работы с портами прибора и ПЭВМ используется аппаратный и программный последовательные порты, расположенные на Arduino. Для других версий Arduino (например, Mega) доступно большее число аппаратных портов, что позволяет одновременно работать с несколькими приборами.

Реализован простой протокол обмена между ПЭВМ и микроконтроллером. Взаимодействие осуществляется с помощью порта USB, который эмулирует последовательный интерфейс обмена данных. С точки зрения микроконтроллера это выглядит так, как будто общение происходит по последовательному интерфейсу RS-232 (эта функциональность конструктивно встроена в технологическую плату Arduino).

Протокол обмена данными является текстовым, каждое сообщение передаётся с новой строки. В рабочем режиме микроконтроллер постоянно сообщает на ПК информацию, которую он принял с прибора. Микроконтроллер при обработке учитывает особенности каждого конкретного прибора; на текущий момент реализовано взаимодействие с прибором П3-41.

Разработана простая программа для приёма и обработки данных на ПЭВМ. Программа работает под управлением операционной системы Windows, как наиболее распространённой на сегодняшний момент.

Пользовательский интерфейс программы приведён на рисунке 3.5.

Рисунок 3.5 - Пользовательский интерфейс

3.5.1 Взаимодействие с прибором П3-41

Был разработан программный модуль для взаимодействия с прибором П3-41. Протокол передачи данных П3-41 бинарный, нешифрованный. Данные передаются пакетами разной длины. Структура входящего пакета (т.е. пакета, отправляемого с ПК) приведена на рисунке 3.6

Рисунок 3.6 - Пример входного пакета

Пакет входной пакет занимает 6 байт. Байты с индексами 0 и 4 равны коду команды. Например, для начала измерения электрического поля нужно подать команду `E' (код символа 0x45).

Структура выходного пакета (т.е. пакета с результатами измерений, приходящего с прибора) приведена на рисунке 3.7.

Рисунок 3.7 - Пример выходного пакета

Выходной пакет состоит из трёх частей.

1. Размер тела пакета (без учёта контрольной суммы) - двухбайтовое целое число (записанное по правилам little-endian, то есть в обратном порядке). Всегда 3 или 5 байт.

2. Тело пакета - 3- или 5-байтовое целое число, записанное по правилам little-endian. При получении этого числа его следует преобразовать в дробное, поделив на коэффициент, зависящий от антенны и измеряемой величины. Коэффициент принимает значения от 100 до 10000. Например, при получении числа 8760 в режиме измерения напряжённости электрического поля с помощью антенны № 1, микроконтроллер интерпретирует это число как величину 0.876 В/м.

3. Контрольная сумма пакета - используется для контроля целостности данных. Если контрольная сумма, вычисленная на основании длины пакета и его данных, не совпадает с ожидаемой, сеанс передачи данных завершается и COM-порт закрывается.

Подобные форматы кодирования широко применяются в аппаратных датчиках. Есть основания полагать, что похожий формат используется и для взаимодействия с прибором П3-70/1.

4. Проведение автоматизированного многочастотного контроля электромагнитных излучений ламп, с использованием технологической платформы, оснащённой измерителем П3-41

Одни и те же люминесцентные лампы, установленные в светильниках различной конструкции, создают электромагнитные поля, различающиеся по интенсивности в десятки раз, что требовало дополнительных исследований.

Для выяснения причины этого явления были проведены исследования компактных люминесцентных ламп различной мощности. В процессе экспериментальных исследований было установлено расстояние от одной, двух и трех одновременно включенных ламп, на котором зарегистрировано превышение ПДУ электромагнитного поля. Было также зафиксировано, что изменение порядка расположения ламп вдоль прямой слабо влияет на результирующее электромагнитное поле.

4.1 Расположение ламп

Измерения для опыта с двумя проводились в соответствии с рисунком 4.1.

Рисунок 4.1 - Схема опыта: M - точка, в которой производились измерения; l - расстояние, указанное в таблице 4.1

Измерения для опыта с тремя лампами проводились в соответствии с Рисунком 4.2

Рисунок 4.2 - Схема эксперимента с тремя лампами

4.2 Построение модели

Таблица 4.1 - Экспериментальные данные измерения напряженности электрического поля люминесцентных ламп в аудитории 304 «В», от 04.04.2011

Частота, МГц	ПДУ, В/м	Фоновое значение, В/м	Расстояние от измерителя до каждой лампы l, см	Напряженность электрического поля Е, В/м
				лампа №1	лампа №2	обе лампы
0,00005	500	1,15	1	468	285	866
			5	255	222	320
			15	225	188	162
0,03	25	6,77	1	418,33	310	758,34
			5	182,13	158,12	323,78
			10	425,20	325	248,37
			15	71,59	55,20	108,35
3	15	2,17	1	109,30	63,35	145,79
			5	50,30	30,03	76,43
			10	22,61	17,35	32,65
			15	17,33	10,33	22,85
			20	7,18	5,44	9,68
			30	9,56	3,94	16,32
			40	4,22	3,46	12,54
30	10	1,25	1	61,18	72,20	128,25
			5	40,64	34,65	67,17
			10	21,79	17,02	32,65
			15	12,87	9,34	16,86
			20	7,70	6,83	9,87
			30	5,07	3,92	5,07
			40	3,67	3,78	6,08
50	3	3,51	1	70,62	68,12	241,37
			5	48,66	34,59	68,35
			10	22,29	17,70	38,67
			15	11,76	9,81	19,32
			20	7,68	6,89	10,53
			30	4,47	4,30	25,61
			40	3,83	3,51	10,55
300	3	1,86	1	96,15	64,21	230,52
			5	38,29	25,91	78,06
			10	18,86	13,76	43,63
			15	11,66	8,36	21,92
300	3	1,86	20	7,23	6,39	14,05
			25	5,06	4,02	8,62
			30	4,16	3,94	6,11
			40	3,53	3,59	15,63
			45	2,93	2,52	6,31

Примечания:

1. В процессе экспериментальных исследований использовались компактные люминесцентные лампы со следующими характеристиками: Лампа №1 - «Navigator» (20 W, E27, 2700 K, 220-240 V, 50/60 Hz, 1200 lm); Лампа №2 - «Zeon» (3U, 15 W, E27, 4200 K, 220-240 V, 50-60 Hz, T091203).

2. Цветом выделены ячейки, содержащие данные о превышении ПДУ.

3. В квадратных скобках указан ПДУ.

электромагнитный излучение измерительный контроль

Таблица 4.2 - Экспериментальные данные измерения плотности потока энергии на частоте 300 МГц от компактных люминесцентных ламп в аудитории 304 «В»

ПДУ, мкВт/см2	Фоновое значение, мкВт/см2	Расстояние от антенны прибора ПЗ-41 до каждой лампы, см	Плотность потока энергии, мкВт/см2
			лампа №1	лампа №2	обе лампы
10	1,03	1	2600	1150	8720
		5	325,81	168,71	1500
		10	102	54,96	357,65
		15	41,84	19,25	127,79
		20	14,96	11,27	57,86
		25	7,73	4,24	19,07
		30	4,93	2,97	9,99
		40	4,13	3,65	8,59
		45	2,23	1,60	6,55

Примечание: в процессе экспериментальных исследований использовались компактные люминесцентные лампы со следующими характеристиками: лампа №1 - «Navigator» (20 W, E27, 2700 K, 220-240 V, 50/60 Hz, 1200 lm); лампа №2 - «Zeon» (3U, 15 W, E27, 4200 K, 220-240 V, 50-60 Hz, T091203).

Вывод: типичным явлением является превышение ПДУ электрического поля, генерируемого компактными люминесцентными лампами, на всех нормируемых частотах на расстояниях 15 см и менее.

Таблица 4.3 - Экспериментальные данные измерения напряженности электрического поля от двух компактных люминесцентных ламп в аудитории 304 «В»

Частота, МГц	Расстояние от измерителя до каждой лампы, см	Напряженность электрического поля Е, В/м
		Фоновое значение	ПДУ	влево	вправо	вверх	вдоль оси лампы
0,03	1	10	25	190,43	252,53	338,54	335,96
	5			76,98	113,56	165,33	137,64
	10			44,80	56,31	73,30	77,46
	15			22,76	29,70	35,57	31,26
	20			20,16	20,39	17,70	17,96
	25			12,29	14,47	16,66	15,92
	30			8,05	10,55	15,20	12,60
3	1	1,87	15	57,89	94,64	103,03	78,38
	5			25,58	38,37	44,41	32,33
	10			17,28	16,59	19,12	22,79
	15			3,35	9,89	9,01	6,65
	20			5,40	5,95	5,81	5,87
	25			3,78	4,48	5,28	4,0
	30			3,30	3,64	4,91	3,25
30	1	1,76	10	52,31	92,53	115,81	68,38
	5			20,94	35,11	40,54	27,88
	10			11,61	17,64	20,44	16,90
	15			6,88	9,22	7,67	9,49
	20			4,93	5,49	5,61	7,15
	25			3,54	4,33	4,65	5,17
	30			2,93	3,24	4,63	4,16
50	1	1,96	3	60,29	88,88	97,69	63,96
	5			23,76	36,87	60,84	25,48
	10			12,42	18,66	20,03	13,57
	15			7,28	11,19	9,37	11,91
	20			4,85	5,18	5,78	7,30
	25			3,52	3,89	4,93	5,13
	30			3,0	3,71	4,35	3,35
	35			2,74	3,02	4,27	3,73
	40				2,56	3,98	2,25

Примечание: в процессе экспериментальных исследований использовались следующие компактные люминесцентные лампы: лампа слева - «Navigator» (производитель КНР) мощностью 25 Вт (дневной белый свет); лампа справа - «Navigator» мощностью 25 Вт (теплый белый свет).

Таблица 4.4 - Экспериментальные данные измерения напряженности электрического поля от трех компактных люминесцентных ламп в аудитории 304 «В», от 04.04.2011

Частота, МГц	Расстояние от измерителя до каждой лампы, см	Напряженность электрического поля Е, В/м
		Фоновое значение	ПДУ	влево	вправо	вверх	вдоль оси лампы
0,03	1	10	25	215,37	239,68	178,42	250
	5			110,97	125,95	95,62	74,55
	10			45,55	60,56	48,10	34,65
	15			29,49	33,17	28,26	22,10
	20			18,59	22,56	22,02	16,06
	25			14,50	16,33	17,54	18,26
	30			10,73	12,69	1,49	16,51
3	1	1,87	15	72,51	75,45	53,90	85,01
	5			37,70	38,23	28,11	34,37
	10			14,22	21,46	15,73	13,82
	15			8,41	12,11	10,67	6,66
	20			5,45	7,06	6,68	5,71
	25			4,10	5,25	4,13	5,03
	30			3,13	3,22	2,62	5,30
30	1	1,76	10	62,67	63,50	59,27	81,93
	5			30,98	35,39	30,87	22,67
	10			13,38	17,58	16,53	11,63
	15			7,53	9,77	10,40	7,38
	20			5,05	6,46	7,17	5,5
	25			4,12	4,80	5,91	5,0
	30			2,91	3,67	1,93	4,84
50	1	1,96	3	55,65	64,99	66,80	87,57
	5			26,65	30,24	35,91	33,92
	10			13,81	16,34	17,84	13,52
	15			8,20	9,06	11,46	5,52
	20			5,23	6,24	7,47	4,44
	25			4,10	4,20	6,10	4,29
	30			3,16	3,50	4,48	4,77

Примечание: в процессе экспериментальных исследований использовались следующие компактные люминесцентные лампы: лампа слева - «Navigator» мощностью 15 Вт (теплый белый свет); лампа посередине «Navigator» мощностью 25 Вт (дневной белый свет); лампа справа - «Navigator» мощностью 25 Вт (теплый белый свет)

Выводы: изменение порядка расположения ламп на столе и даже добавление ещё одной лампы не слишком сильно сказывается на картине превышения ПДУ электрическим полем, генерируемым лампами.

4.3 Практическое применение метода конечных разностей во временной области к моделированию электромагнитного поля

Уравнения Максвелла, впервые сформулированные в 1870 году, описывают зависимости между электрическим и магнитным полем в пространстве. Известны несколько точных решений этих уравнений для различных упрощённых условий.Сегодня, в связи со стремительным развитием информационных технологий, для решения этих дифференциальных уравнений всё чаще применяются численные методы.

Основными методами являются проекционные, в которых решение проецируется на какой-либо удобный функциональный базис, и дискретизационные, в которых область пространства разбивается на множество малых конечных областей. Две категории универсальных дискретизационных методов, получивших сегодня наибольшее распространение, это метод конечных элементов и метод конечных разностей во временной области. Метод конечных элементов применяется для расчёта задач электростатики, магнитостатики и квазистационарных явлений. Метод конечных разностей во временной области был разработан специально для решения уравнений Максвелла, в которых изменение электрического и магнитного поля во времени зависит от изменения, соответственно, магнитного и электрического поля в пространстве. В рамках этого метода область пространства и временной интервал подвергаются равномерной дискретизации с заданием начальных условий.

К преимуществам метода конечных разностей во временной области относят :

1) Простота реализации - для расчётов не применяется линейная алгебра, которая в случае применения других методов ограничивает размеры пред предметной областью всего 106 неизвестными величинами.

2) Поскольку метод работает во временной области, он позволяет получить результат для широкого спектра длин волн за один расчет. Это может полезно при решении задач, в которых не известны резонансные частоты или в случае моделирования широкополосных сигналов.

3) Позволяет создавать анимированные изображения распространения волны в счетном объеме.

4) Удобен при задании анизотропных, дисперсных и нелинейных сред.

5) Метод позволяет непосредственно моделировать эффекты на отверстиях, так же как эффекты экранирования, причем поля внутри и вне экрана могут быть рассчитаны как напрямую, так и нет.

Сущность конечно-разностных методов состоит в замене частных производных в каждой точке пространства конечными разностями, зависящими от значений параметра в соседних точках пространства. Метод конечных разностей во временной области добавляет также временное измерение.

Данный метод позволяет провести симуляцию (модельный эксперимент) и проследить эволюцию электромагнитного процесса во времени. В основу метода конечных разностей во временной области положенына уравнения Максвелла для области, не имеющей свободных электрических и магнитных зарядов.

Закон Фарадея:

(4.1)

Закон Ампера:

(4.2)

Закон Гаусса для электрического поля:

(4.3)

Закон Гаусса для магнитного поля:

(4.4)

В выражениях (1 - 4) приняты следующие обозначения:

- напряжённость электрического поля;

- плотность электрического потока;

- напряжённость магнитного поля;

- плотность магнитного потока (вектор магнитной индукции);

- плотность электрического тока;

- плотность эквивалентного магнитного тока.

Знаком обозначен оператор Гамильтона.

Конечно-разностный метод требует предварительного разбиения пространства на области. Параметры электрического поля внутри области принимаются равномерно распределёнными, что приводит к некоторой «ступенчатости» расчётных данных (это считается недостатком метода по сравнению с методом конечных элементов, который позволяет более гибко задавать размеры ячеек). Эта проблема решается двумя способами:

1. Общим уменьшением масштаба размерной сетки для всего счётного пространства.

2. Локальным повышением детализации (уменьшением масштаба сетки) вблизи от объектов сложной формы.

Разбиение пространства обычно происходит на одноразмерные кубы. Размер одного куба рекомендуется делать в 10-20 раз меньше длины исследуемой волны.

КейномЙи предложено оригинальное смещение точек приложения различных параметров электромагнитного поля по отношению к ячейке размерной сетки (вокселю). Расположение векторов представлено на рисунке 1, расположение куба внутри вокселя - на рисунке 2.

Сам алгоритм расчёта является рекурсивным: параметры электрического поля в каждый момент времени рассчитываются на основании параметров магнитного поля в предыдущий момент времени; параметры электромагнитного поля рассчитываются на основании параметров электрического поля. Важным фактором является смещение векторов электрического и магнитного поля на половину временного шага и половину пространственного шага друг относительно друга (что иллюстрируется кубом Йи).

Рисунок 4.3 - Расположение векторов Eи Hна кубе Йи

Рисунок 4.4 - Расположение куба Йи внутри вокселя

Самый простой вариант алгоритма Йи позволяет моделировать развитие электромагнитного процесса внутри вещества, обладающего линейными изотропными недисперсными электромагнитными параметрами, откуда следуют два важных равенства:

(4.5)

(4.6)

где - диэлектрическая проницаемость материала;

- относительная диэлектрическая проницаемость материала;

- диэлектрическая проницаемость вакуума;

- магнитная проницаемость материала;

- относительная магнитная проницаемость материала;

- магнитная проницаемость вакуума.

Для отдельных компонентов векторов получимшесть связанных уравнений Максвелла [3]



Уравнения (7-12) могут быть решены с помощью метода конечных разностей.

Алгоритм конечных разностей во временной области применим для расчёта различных классов объектов:

1. Статические источники электрического и магнитного поля (можно проследить эволюцию электромагнитного поля вблизи статического источника в момент его активации).

2. Источники периодических колебаний электрического и магнитного поля (можно проследить распространение колебаний во времени и пространстве).

3. Источники апериодических колебаний электрического и магнитного поля. Может быть изучено влияние на электромагнитную обстановку источников колебаний любой формализуемой формы.

4. Изотропная среда.

5. Анизотропная среда.

6. Среда с параметрами, зависящими от частоты колебаний электромагнитного поля (например, плазма).

Метод конечных разностей во временной области - современный метод исследования и моделирования электромагнитного поля, который применяется в промышленности и научных исследованиях. Его применение целесообразно в случае, когда необходимо одновременно контролировать широкие диапазоны частот на небольших областях пространства (здания, помещения). Возможно его применение, например, для проверки электромагнитной обстановки на соответствие нормам СанПиН (на этапе обработки полученных экспериментальных данных).

Построение модели

Были составлены модели в среде COMSOL Multiphisics для одной, двух и трех компактных люминесцентных ламп.

Картина электрического поля частотой 3 МГц, генерируемого одной компактной люминесцентной лампой мощностью 20 Вт, представлена на рисунке 4.5 (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показаны потенциалы электрического поля, В). Справа от изображения поля представлена шкала напряженности электрического поля в В/м. По осям х и у приведены расстояния (м).

На рисунке 4.6 приведена та же картина после осуществления перехода от оси электрического потенциала к оси допустимого времени пребывания в соответствии с методикой, разработанной в АлтГТУ. Справа от изображения поля представлена шкала допустимого времени пребывания в часах и минутах, на сносках приведено допустимое время пребывания человека на указанном в скобках расстоянии от лампы (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показано время допустимого пребывания человека).

Рисунок 4.5 - Картина электрического поля частотой 3 МГц, генерируемого компактной люминесцентной лампой мощностью 20 Вт

Рисунок 4.6 - Картина распределения времени допустимого пребывания вблизи компактной люминесцентной лампы мощностью 20 Вт

Как видно из экспериментальных исследований, и что следует из результатов моделирования на основе опытов, компактные люминесцентные лампы могут представлять опасность для здоровья (поле в радиочастотном диапазоне превышает ПДУ) на расстояниях менее 15 см. Отсюда следует, что такие лампы следует с осторожностью использовать в жилых помещениях, а также при организации локального освещения рабочих мест.

На рисунке 4.7 приведена картина поля для модели, в которую была добавлена еще одна лампа мощностью 15 Вт (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показан потенциал электрического поля, В).

На рисунке 4.8 приведена та же картина после осуществления перехода от оси потенциала к оси допустимого времени пребывания в соответствии с методикой, разработанной в АлтГТУ (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показано время допустимого пребывания человека).

Рисунок 4.7 - Картина электрического поля частотой 3 МГц, генерируемого двумя компактными люминесцентными лампами мощностями 20 Вт и 15 Вт



Рисунок 4.8 - Картина распределения времени допустимого пребывания вблизи двух компактных люминесцентных ламп мощностями 20 Вт и 15 Вт

Из рисунков и опытных данных видно, что добавление второй лампы существенно не влияет на картину электрического поля. Отсюда можно сделать вывод, что генерация компактными люминесцентными лампами высокочастотного электрического поля слабо зависит от количества ламп.

На рисунке 4.9 приведена картина поля для модели, в которой исследовались две компактные люминесцентные лампы мощностью 25 Вт и одна люминесцентная лампа мощностью 15 Вт (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показан потенциал электрического поля, В).

На рисунке 4.10 приведена та же картина после осуществления перехода от оси электрического потенциала к оси допустимого времени пребывания в соответствии с методикой, разработанной в АлтГТУ (по осям откладываются координаты точек, м; цветовой шкалой показано время допустимого пребывания человека).

Рисунок 4.9 - Картина электрического поля частотой 3 МГц, генерируемого двумя компактными люминесцентными лампами мощностями 25 Вт и одной лампой мощностью 15 Вт

Рисунок 4.10 - Картина распределения времени допустимого пребывания вблизи двух компактных люминесцентных ламп мощностями 25 Вт и одной лампы мощностью 15 Вт

По результатам моделирования видно, что картина электрического поля на высоких частотах формируется, как правило, наиболее мощными лампами; лампы меньшей мощности в формировании поля практически не участвуют.

5. Технико - экономический расчет

Целью технико-экономического расчета являются составление сметы затрат на проведение научно-исследовательской работы (НИР).

Разработке сметы затрат на проведение научно - исследовательских работ предшествует разработка сетевого графика выполнения дипломного проекта.

Для определения трудоемкости выполнения НИР, прежде всего, составляется перечень всех этапов и видов работ, которые должны быть выполнены. При этом особое внимание должно быть уделено логическому упорядочению последовательности выполнения отдельных видов работ. В основе такого упорядочения лежит анализ смыслового содержания каждого вида работ и установление взаимосвязи между всеми видами работ. Поэтому при планировании НИР.

Работа - это производственный процесс, требующий затрат времени и ресурсов. Каждая работа характеризуется продолжительностью. Событием является факт окончания одной или нескольких работ, необходимых и достаточных для начала последующих работ. Ожиданием называется процесс, требующий только затрат времени. Зависимость (фиктивная работа) отражает правильную взаимосвязь работ при построении сетевого графика и не требует ни ресурсов, ни времени.

Таблица 5.1 - Перечень работ

	Название события	Кол-во необходимых дней
0	Начало работ	0
1	Составление и утверждение задания на дипломное проектирование	1
2	Сбор информационных материалов по заданной теме	7
3	Разработка технологической платформы	25
4	Сборка технологической платформы	12
5	Испытания технологической платформы	5
6	Анализ результатов проведения НИР	30
7	Охрана труда	5
8	Экономическая часть	5
9	Оформление пояснительной записки	7
Итого		97

Рисунок 5.1 Диаграмма Гантта

Рисунок 5.2 Диаграмма PERT

Основными затратами на выполнение темы научно-исследовательского характера являются затраты на приобретение материалов и специального оборудования (таблица 5.2), затраты на проведение собственно научных исследований и затраты на оформление отчета

Стоимость выполнения НИР складывается из следующих статей затрат:

- материалы;

- спецоборудование для научных работ;

- основная и дополнительная заработная плата;

- отчисления на социальные нужды;

- прочие прямые расходы.

К материальным затратам относятся затраты на сырье, основные и вспомогательные материалы, необходимые для выполнения НИР.

Затраты на материалы отражены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Расчет затрат на материалы

Материалы	Единица измерения	Потребное количество	Цена за единицу, руб.	Сумма, руб.
Микроконтроллер AVR	шт.	1	102	102
Платформа arduino	шт.	1	200	200
Текстолит	шт.	1	80	80
Итого				382

Определение затрат по статье спецоборудование производится по фактической стоимости приобретения с учетом затрат на установку, монтаж и регулировку оборудования по следующей формуле:

Соб = 1,1• Цоб = 1,1 • 36810 = 40491 руб, (5.1)

где Сбо - стоимость оборудования, руб.;

Цоб - цена оборудования, руб.;

1,1 - коэффициент, учитывающий затраты на установку, монтаж, регулировку.

(5.2)

где - норма амортизации;

Т - срок окупаемости.

А = Соб • = 40491 • 0,125 = 5061,38 (5.3)

где А - амортизационные отчисления на спецоборудование

Время, затраченное на компьютерное моделирование лабораторных работ - 3 месяца. Исполнитель - инжинер, среднемесячный оклад - 5207руб.

Размер основной заработной платы устанавливается исходя из численности различных категорий исполнителей, трудоемкости отдельных видов работ, и их часовой ставки:

(5.4)

где Зосн - основная заработная плата, руб.;

Тi - трудоемкость работ, выполняемых i-м работником ,ч;

Cmi -часовая тарифная ставка i-го работника, руб.;

n - количество исполнителей.

Затраты на заработную плату руководителя:

при окладной системе оплаты труда часовая заработная плата может быть определена по формуле:

(5.5)

Оплата инженера за 1час.

(5.6)

оплата руководителю за 1час ,

с учетом районного коэффициента: Ст = 273 • 1,15 = 313,95 руб ,

где Зм - месячный оклад каждого работника с учетом районного коэффициента, руб.;

Д - среднее количество рабочих дней в месяце, дн;

tn - средняя продолжительность рабочего дня, ч.

Расчет основной заработной платы приведен в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Расчет основной заработной платы

Виды работ	Трудоемкость, Чел - час	Сумма основной заработной платы, руб.
	Научный руководитель	Исполнители	Научный руководитель	Исполнители
1.Составление и утверждение задания на дипломное проектирование (НИР)	1	8	314	209,12
2.Сбор информационных материалов по заданной теме	4	48	1256	1254,72
3. Разработка технологической платформы	7	120	2198	3136,8
4. Сборка технологической платформы	4	200	1256	5228
5.Анализ результатов проведения НИР	5	240	1570	6273,6
6.Охрана труда	1	40	314	1045,6
7.Экономическая часть	1	40	314	1045,6
8.Оформление пояснительной записки	3	56	942	1463,84
Итого	26	725	8164	19657,28

Дополнительная заработная плата работников научных учреждений соcтавляет 11% от основной заработной платы:

Здоп = (Зрук + Зинж) • 0,11 (5.7)

Здоп = (8164+19657,28) • 0,11 =3060,3 (5.8) Зсум = 8164+19657,28+ 3060,3 = 30881,28 (5.9)

Размер «Отчисление в внебюджетные государственные фонды» определяется в процентах от суммы основной и дополнительной заработной платы работников, непосредственно выполняющих НИР, и составляет 30,2%.

Зсоц нужды= 30881,28· 0,302 =9326,15 руб. (5.10)

На статью «Прочие прямые расходы» относятся расходы на электроэнергию при проведении НИР. Они определяются исходя из количества потребленной энергии и действующего тарифа.

(5.11)

Затраты на электроэнергию в день:

Зэл.д = 0,3 · 8 ·4,5 = 10,8 руб. (5.12)

Затраты на электроэнергию:

Зэл = 10 • Зэл.д =10 · 10,8 =108 руб. (5.13)

где Зэл - затраты на электроэнергию, руб.;

N - мощность прибора, кВт;

T - время работы прибора, ч;

Ц - тариф на электроэнергию, руб/кВт•ч.

Таблица 4.4 - Смета затрат на НИР

Смета затрат	Сумма, руб	Удельный вес, %
1	2	3
Материалы и покупные элементы	328	0,72
Амортизация спецоборудования	5061,38	11,07
Заработная плата основная и дополнительная	30881,28	67,57
Отчисления на социальные нужды	9326,15	20,41
Прочие прямые расходы	108	0,23
Итого	45704,81	100

Из сметы затрат видно, что основная статья расходов (67,57%) приходится на основную и дополнительную заработную плату, затем идут отчисления на социальные нужды (20,41%), амортизационные отчисления (11,07%), материалы и покупные элементы (0,72%) и прочие прямые расходы (0,23%).

6. Охрана труда

6.1 Роль исследований электромагнитного поля в охране труда

Одним из направлений охраны труда является соблюдение на рабочем месте действующих норм по предельно допустимым уровням параметров электромагнитного поля. Такое исследование всегда проводится с целью составления целостного представления о картине электромагнитной обстановки в помещении. Для получения такой картины используется математическое моделирование.

В рамках исследования электромагнитной обстановки помещения особую роль играет её компьютерное моделирование. Компьютерное моделирование позволяет получить наиболее полную картину электромагнитной обстановки за счёт двух факторов:

1) с помощью компьютерного моделирования возможно, хоть и приблизительно, рассчитать напряжённость электрического поля в любой точке помещения, а не только в тех точках, в которых проводились измерения;

2) современные ПЭВМ, оборудованные автоматизированным программным обеспечением, позволяют визуализировать картину электромагнитного поля, чтобы более наглядно представить опасные зоны помещения.

6.2 Составление компьютерной модели помещения с учётом требований охраны труда

Рассмотрим компьютерное моделирование помещения на примере программной среды COMSOL Multiphisics.

После запуска программы COMSOL Multiphisics на экране появится окно Навигатор моделей, позволяющее выбрать тип создаваемой модели. Так как необходимо произвести моделирование в объеме, то выберем в поле Размерность пространства значение 3D. Затем выберем из списка пункт Электромагнетизм > Электростатика, позволяющий работать с диэлектрическими и проводящими материалами, после чего нажмем кнопку OK (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 - Выбор пункта Электростатика

На экране появится главное окно программы COMSOL Multiphisics, в котором можно создавать модели. Приступим к моделированию условий задания. Для задания пространства аудитории используем параллелепипед. Нажмем на панели инструментов, расположенной в левой части экрана, на кнопку «Блок» (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 - Кнопка «Блок»

Появится окно Блок для задания параметров создаваемого помещения аудитории (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 - Окно «Блок» для задания параметров аудитории

Необходимо установить параметры: в группе «Длина»: х = 2,05 м; у = 7,12 м; z = 2,38 м (значения задаются в системе СИ), а в группе «Стиль»: «Тело». Расположим модель аудитории в начале координат для облегчения дальнейших построений. Для этого параметры «Начальной точки оси» оставляем по умолчанию, т.е. х = у = z = 0 м. После ввода параметров необходимо нажать кнопку OK, и созданный объект отобразится на экране (рисунок 6.4).

Рисунок 6.4 - Созданное помещение аудитории

Аналогично строим все остальные объекты в аудитории. После построения мы получаем картину, изображенную на рисунке 6.5.

Рисунок 6.5 - Вид построенных объектов в аудитории

Теперь зададим граничные условия построенных объектов. Перейдем в меню «Физика > Настройки границы…» (рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 - Переход в «Настройки границы» меню «Физика»

Появится окно «Настройки границы - Электростатика». Для каждой грани определяем «Граничное условие». Для всех граней аудитории и стола граничным условием будет «Нулевой заряд / Симметрия». А для граней экрана, клавиатуры ноутбука и его блока питания граничным условием будет «Электрический потенциал». В силу того, что значение «Электрического потенциала» нам не задано, для определения этой величины будем использовать следующую формулу:

, (6.1)

где - электрический потенциал, В;

- расстояние между объектом измерения и измерительным устройством (b = 0,5 м согласно Санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 [2]);

- напряжённость электростатического поля, В/м.

Напряжённость электростатического поля определяем экспериментально с помощью прибора ПЗ-41. При вычислении электрического потенциала нужно учитывать, что шкала прибора - в кВ/м и показания прибора нужно умножать на 0,1.

Например, для 15-й грани в строку редактирования «V0» вписываем выражение «1,3*100*b» (рисунок 6.7).

Рисунок 6.7 - Окно «Настройки границы - Электростатика»

Сейчас можно задать материальные свойства полученного объекта, изображённого на рисунке 6.5. Перейдем в меню «Физика > Настройки подобласти…» (рисунок 6.8).

Рисунок 6.8 - Переход в «Настройки подобласти» меню «Физика»

Появится окно «Настройки подобласти - Электростатика». Для объекта желательно задать какой-либо материал. Для этого нажмем кнопку «Загрузить...». Появится окно «Библиотечный материал». Выберем требуемый материал для характеристики пространства между объектами аудитории и стенами этого помещения (если он имеется в библиотеке); также можно просто ввести значение относительной диэлектрической проницаемости . После этого нажимём кнопку «ОК» (рисунок 6.9).

Рисунок 6.9 - «Окно Настройки подобласти - Электростатика»

Все условия заданы, теперь нужно настроить параметры отображения результатов. Для этого откроем меню «Последующая обработка > Параметры графиков...» (рисунок 6.10).

Рисунок 6.10 - Переход в меню Последующая обработка

На экране появится окно настройки результирующих диаграмм «Параметры графиков». Перейдем на вкладку «Изоповерхность». В группе «Данные изоповерхности» в выпадающем меню «Предопределенный параметр» выберем пункт «Электрический потенциал». В группе «Уровни изоповерхности» установим большее количество уровней, нежели заданное по умолчанию, например, 20. В группе «Цветные данные» в выпадающем меню «Предопределенный параметр» выберем пункт «Электрический потенциал». Для получения более полной картины уровни изоповерхности можно раскрасить в соответствии со значениями электрического потенциала. Для этого в группе «Цвет изоповерхности» выберем пункт «Цветовая карта» (рисунок 6.11).

Рисунок 6.11 - Вкладка Изоповерхность окна Параметры графиков

Перейдем на вкладку «Линия тока». В группе «Данные линии тока» в выпадающем меню «Предопределенный параметр» выберем пункт «Электрическое поле». В группе «Стартовые точки линии тока» установим большее количество точек начала, нежели заданное по умолчанию, например, 50. Для получения более полной картины линии можно раскрасить в соответствии со значениями напряженности электростатического поля. Для этого в группе «Цвет линии тока» выберем пункт «Использовать выражение для цвета линии тока». Затем нажмём кнопку «ОК».

Для расчета и получения результата нажмем кнопку «Решить» на верхней панели инструментов (рисунок 6.12).

Рисунок 6.12 - Кнопка «Решить»

После этого мы получим картину электростатического поля (рисунок 6.13).

Рисунок 6.13 - Картина электростатического поля в приближении

Для того, чтобы узнать величину напряжённости электростатического поля или значение другой физической величины, характеризующей данное поле в конкретной точке, нужно выбрать пункт меню «Последующая обработка > Параметры графика поперечного сечения…» (рисунок 6.14).

Рисунок 6.14 - Переход в меню «Последующая обработка»

В появившемся окне «Параметры графика поперечного сечения» откроем вкладку «Точка». В группе «Y - ось данных» в выпадающем меню «Предопределённый параметр» выберем пункт «Электрическое поле, норма», а потом введём координаты искомой точки в соответствующей группе. После этого нажмём кнопку «ОК», и на экране появится окно «Фигура 1 - FEMLAB», в котором изображён график напряжённости электростатического поля в данной точке (рисунок 6.15).

Рисунок 6.15 - Окно «Фигура 1 - FEMLAB»

6.3 Анализ соответствия результатов измерений требованиям охраны труда

Исходя из требований санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03, временно-допустимый уровень напряженности электростатического поля, создаваемого ПЭВМ на рабочих местах, не должен превышать 15 кВ/м за восьмичасовой рабочий день [2]. Максимальное значение напряженности электростатического поля, создаваемого от источников излучений, расположенных на первом рабочем столе компьютерной аудитории 110 корпуса «Д» Алтайского государственного технического университета имени И. И. Ползунова:

экспериментальное значение - 200 В/м; расчетное - 204 В/м.

Значение напряженности электростатического поля, создаваемого от источников излучений, расположенных на первом рабочем столе этой же дисплейной аудитории в зоне расположения оператора:

экспериментальное значение - 4 В/м; расчетное - 5,16 В/м.

Максимальное значение напряженности электростатического поля, полученное с помощью компьютерного моделирования (204 В/м), отличается от максимального значения напряженности электростатического поля, полученного на основании показаний прибора ПЗ-41 (200 В/м), на 2,04 %. Экспериментальное значение напряжённости электростатического поля в зоне расположения оператора отличается от расчётного значения напряжённости электростатического поля на 22,5 %. Отклонение между измеренным и рассчитанным значениями объясняется погрешностью прибора ПЗ-41, несоответствием координат точек измерения при экспериментальном исследовании и при задании параметров графика поперечного сечения в программе COMSOL Multiphisics и др.

Условия труда на обследованном рабочем месте соответствуют 2 классу (допустимые) в соответствии с руководством Р 2.2.2006-05.

Выводы по результатам моделирования

В рамках проведения данной дипломной работы была на практике испытана методика комплексных исследований электромагнитной обстановки, разработанная в Алтайском техническом университете им. И. И. Ползунова, на примере помещения 110 аудитории корпуса «Д». В данном помещении были обнаружены серьезные превышения установленных норм электромагнитных излучений в соответствии с СанПиН. Были выявлены зоны наибольшей электромагнитной опасности, а также электроприборы, оказывающие максимально негативное влияние на электромагнитную обстановку в помещении.

Была разработана чёткая последовательность действий при проведении измерений, позволяющая максимально эффективно использовать средства измерения и скоординировать работу с целью экономии времени.

Планируется дальнейшее совершенствование концепции комплексного контроля электромагнитной обстановки в помещениях, а также совершенствование методик реализации данной концепции.

Заключение

В рамках проведения данной дипломной работы были изучены нормативные документы, регламентирующие уровни воздействия ЭМП, виды и предельно-допустимые нормы излучения, а также физические основы построения аппаратуры для измерения параметров электромагнитного поля. Составлен перечень измерительной техники, которая имеется в России и за рубежом.

Проведён выбор необходимой аппаратуры, разработаны предложения по автоматизации процесса измерения электромагнитного поля.

Разработаны требования к технологической платформе интегрированного контроля параметров электромагнитного поля.

К преимуществам платформы можно отнести следующие:

· возможность подключения любых приборов, которые обладают внешним интерфейсом - для каждого прибора нужно разработать только соответствующий модуль, чтобы подключить его к коммутирующему блоку;

· универсальная обработка и регистрация всех сигналов на ПЭВМ (нет необходимости в отдельных программных средствах, которые предлагаются производителями каждого прибора);

· обобщение полученных данных в рамках выбранной информационной модели (исследование электромагнитной обстановки на предмет соответствия СанПиН [8 - 11]).

К недостаткам такого решения можно отнести необходимость разработки соответствующего аппаратного модуля для каждого подключаемого измерителя, а также доработки программной стороны для приборов, которые могут управляться по внешнему интерфейсу. Этот недостаток невозможно устранить до тех пор, пока промышленность не выработает единые программные и аппаратные способы управления и передачи данных для измерительных приборов рассматриваемого типа.

За счёт применения результатов дипломного проекта может быть достигнута экономия рабочего времени, затрачиваемого на проведение измерений. Как следствие, ожидается повышение продуктивности измерений.

Список использованных источников

1) Карякин, Р. Н. Основы электромагнитной совместимости [Текст]: учебник для вузов / Р.Н. Карякин, Л.В. Куликова, О.К. Никольский, А.А. Сошников, Н.Т. Герцен, Т.В. Еремина, А.А. Зайцев; под ред. Р.Н. Карякина; Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Ползунова. - Изд. 2-е, перераб. - Барнаул: ОАО «Алтайский дом печати», 2009. - 470 с.

2) Федорович, Г.В. Экологический мониторинг электромагнитных полей - Москва 2004. -140 с.

3) Бирюков С.В. Б 64 Физические основы измерения параметров электрических полей: Монография. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2008. - 111 с.

4) Средства измерений параметров магнитного поля/ Ю.В. Афанасьев, Н.В. Студенцов, В.Н. Хорев, Е.Н. Чечурина, А.П. Щелкин. - Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1979 - 320 с. ил.

5) Лукина Е.В. Методические указания по выполнению расчетов экономического раздела дипломных работ студентов специальности «Системы автоматизированного проектирования» / АлтГТУ им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012. - 37 с.

6) НТМ - Защита. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ntm.ru/center/107/7574, свободный.- Загл.с экрана.

7) Кузьминов А. Ю. Интерфейс RS-232. Связь между компьютером и микроконтроллером [Текст] / М.: Радио и связь. 2004.

8) СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы [Текст]. - Введ. 2003-06-30. - М.: Изд-во стандартов, 2003. - 27 с.

9) СанПиН 2.2.4-2.1.8.055-96. Излучения радиочастотного диапазона. [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - М., [2009]. - Режим доступа: http://www.vashdom.ru/sanpin/224_218055-96/, свободный. - Загл. с экрана.

10) СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ). Приложение 4 (справочное). Перечень методик расчета интенсивности электромагнитных излучений, создаваемых передающими радиотехническими объектами.

11) СанПиН 2.2.4-2.1.8.055-96 дополнение. Экранирующие материалы для изготовления средств защиты от ЭМИ РЧ в диапазоне частот 30 МГц-40 ГГц.

12) МГСН 2.03-97. Допустимые параметры электромагнитных излучений в помещениях жилых и общественных зданий и на селитебных территориях.

13) СН № 2971-84. Санитарные нормы и правила защиты населения от воздействия электрического поля, создаваемого воздушными линиями электропередачи переменного тока промышленной частоты.

14) СанПиН 2.2.4.1191-03. Гигиенические требования к уровню электромагнитных излучений [Текст]. - Введ. 2003-02-7. - М. : Изд-во стандартов, 2003.

15) СанПиН 2.2.4.1191-03 дополнение. Требования к коллективным и индивидуальным средствам защиты от неблагоприятного влияния ЭМП.

16) Руководство P 2.2.2006-05. Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса. Критерии и классификация условий труда.

17) СанПиН 2.2.4.1329-03. Требования по защите персонала от воздействия импульсных электромагнитных полей.

18) СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96. Санитарные правила и нормы. Электромагнитные излучения радиочастотного диапазона (ЭМИ РЧ).

19) Методические указания МУК 4.3.677-97 "Определение уровней электромагнитных полей на рабочих местах персонала радиопредприятий, технические средства которых работают в НЧ, СЧ и ВЧ диапазонах".

20) Методические указания МУК 4.3.679-97 "Определение уровней магнитного поля в местах размещения передающих средств радиовещания и радиосвязи кило-, гекто- и декаметрового диапазонов"

Размещено на Allbest.ru