Средства учета количества электричества и электрической энергии

В качестве операционного усилителя выбираем микросхему К544УД2, параметры которой приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1- Параметры микросхемы К544УД2

Тип микросхемы	К544УД2
K, тыс.	20
±Uп, В	5-17
Iп, мА	7
±eсм, мВ	50
TKeсм, мкВ/К	50
Iвх, нА	0.5
?iвх, нА	0.1
±Uдр, В	10
±Uсф, В	10
M`сф, дБ	70
f1, МГц	15
v, В/мкс	20
±Uвых, В	10
Rн, кОм	2

Сначала вычислим мультипликативные погрешности. Погрешность некомпенсации

д_нк=100/(1+К₀в)=100/(1+20000*1)=0,00499% (4.2)

Синфазная помеха

д_сс=10^-mсс/20*100%=10^-70/20*100%=0,0316% (4.3)

Рассчитаем мультипликативную погрешность, возникающую из-за неточности применяемых резисторов. В качестве резисторов R₁ и R₂ выбираем С2-29В 10 кОм с допуском по сопротивлению 0,05% и ТКС=±5*10^-6 1/єC. Тогда

д_R=д_R1+д_R2+(ТКС_R1+ТКС_R2)ДT*100%=0,05+0,05+(5*10^-6+5*10^-6)5*100%=0,105% (4.4)

Для компенсации погрешности, обусловленной протеканием тока I_BX в цепь неинвертирующего входа ОУ КР544УД2 при заданных параметрах цепи - R₁=R₂=10 кОм и параметрах ОУ необходимо установить резистор коррекции

R₃=R₁R₂/(R₁+R₂)=1010 / (10+10)=5 кОм.

Выбираем R₃ = 5,1 кОм типа С2-29В.

Находим суммарную мультипликативную погрешность

д_мульт=д_нк+д_сс+д_R=0,00499+0,0316+0,105=0,14159% (4.5)

Далее определим аддитивные погрешности инвертора. Погрешность, вызванная дрейфом нуля усилителей _ТКе0

_ТКе0=ТКе₀*ДТ*100/U_{вх.макс}=50*10^-6*5*100/10=0,025% (4.6)

Аддитивная погрешность, вызванная неидеальностью источника питания

_КВНПе0=КВНПе₀*ДЕ_пит*100/U_вх=300*10^-6*0,5*100/10=0,0015% (2.25)

Суммарная аддитивная погрешность

_адд=_ТКе0+_КВНПе0=0,0025+0,0015=0,004% (4.7)

Результирующая погрешность инвертора

_У=_мульт+_адд=0,14159+0,004=0,14559% (4.8)

Определим погрешность аналогового ключа. Погрешность от неидентичности ключей вызывается нестабильностью сопротивлений r_k1 и r_k2 . С учетом того, что R r_k имеем

(4.9)

где r_k1 и r_k2 - изменение сопротивлений замкнутых ключей под воздействием внешних факторов или старения. Действия некоторых факторов можно уменьшить схемными решениями. Нелинейность сопротивления ключа при открытом состоянии и зависимость его от температуры можно ослабить подключением последовательно с ключом резистора, сопротивление которого значительно больше сопротивления ключа. Сопротивление полевых транзисторов в открытом состоянии обычно колеблется от 50 до 200 Ом. Включение резистора сопротивлением 25 кОм последовательно с транзистором практически исключает погрешность, вызванную нелинейностью и зависимостью сопротивления ключа от температуры [36]. Ключи на полевых транзисторах, выполненные в виде одной интегральной схемы имеют, как правило (r_k1 - r_k2), не более нескольких единиц Ом, поэтому для уменьшения погрешностей рекомендуется величину R выбирать в диапазоне 10⁴ 10⁵ Ом.

При использовании аналоговых ключей типа КР590КН4(r_kоткр 75 Ом), сопротивления R₄ =10 кОм, а также (r_k1-r_k2) 10 Ом погрешность, вызванная изменением сопротивлений замкнутых ключей

_КЛ = (r_k1 - r_k2)100 / R₄ = 10100 / 10000= 0,1% (4.10)

Рассчитаем погрешность интегратора. В качестве операционного усилителя для интегратора выбираем микросхему типа ОУ574УД3, параметры которой приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2- Параметры микросхемы К574УД3

Тип микросхемы	К574УД3
K, тыс.	20
±Uп, В	3-16.5
Iп, мА	7
±eсм, мВ	5
TKeсм, мкВ/К	-
Iвх, нА	0.5
?iвх, нА	0.2
±Uдр, В	-
±Uсф, В	-
M`сф, дБ	-
f1, МГц	5
v, В/мкс	30
±Uвых, В	10
Rн, кОм	-

Проводим расчет мультипликативных погрешностей. Находим относительные погрешности от нелинейности интегрирования в соответствии с формулами

_Л1=100*t/K₀ф=100*10*10^-3/20000*10*10³*10^-6=0,005% (4.11),

где ф=R₄C₁- постоянная времени интегратора. Выбрав величину R₄, согласно рекомендации приведенной выше, определим емкость интегратора

C = _ИНТ /R. (4.12)

Если на вход интегратора подать ступенчатый сигнал, амплитуда которого на протяжении некоторого времени будет постоянна, то в процессе интегрирования можно точно определить изменение выходного напряжения во времени, которое представляет собой наклонную прямую с полярностью, противоположной полярности входного сигнала.

U_ВЫХ = -(1/R₄C₁)U_ВХdt = -(1/R₄C₁)(U_ВХt) (4.13)

Исследуемое устройство является интегрирующим с переменным временем интегрирования. В таких приборах, как известно, для улучшения помехоподавления и устранения погрешностей от наводок с частотой питания 50 Гц время цикла измерения, т.е. время интегрирования, выбирается равным или кратным 20 мс t_И Т_С = 0,02 с.

Размах напряжения на выходе интегратора желательно выбрать в рекомендованном диапазоне 1,2 В, т.е. U_m = 2,4 В. Величина входного напряжения U_вх= 1,2 В, величина сопротивления R₄ =10 кОм. Проинтегрируем в пределах от t₀ = 0 до t₁ = Т_С = 20 мс.

Из выражения (4.13) находим величину постоянной времени интегрирования

R₄C₁=(U_ВХt_И) / U_ВЫХ = (1,20,02)/2,4 = 1010^-3с, (4.14)

а далее величину емкости

C₁ = R₄C₁ / R₄ =1010^-3/1010³=110^-6Ф =1,0 мкФ (4.15)

_Л2=100f_ср.инт/f₁=100*16/5*10^-6=0,00032%, (4.16)

где f_ср.инт = 1/(2RC)=1/2 *10*10³*10^-6=16 Гц - частота среза RC-цепи.

_ЛУ=_Л1+_Л2=0,005+0,00032=0,00532% (4.17)

Погрешность, возникающая вследствие неточности применяемых резисторов и конденсаторов. В качестве конденсатора С1 выбираем К31-10 с допуском по емкости 0,01% ТКЕ_С=10^-6 1/єС.

_RC=_R4+TKC_R4*ДT*100+_C1+TKE_C1*ДT*100=

=0,05+5*10^-6*5*100+0,01+10^-6*5*100=0,063% (4.18)

Сумарная мультипликативная погрешность

_мульт=_ЛУ+_RC=0,00532+0,063=0,06832% (4.19)

Рассчитаем аддитивные погрешности интегратора. Погрешность, вызванная дрейфом нуля усилителя _ТКе0

_ТКе0=ТКе₀*ДТ*100/U_{вх.макс}=50*10^-6*5*100/10=0,025% (4.20)

Аддитивная погрешность, вызванная неидеальностью источника питания

_КВНПе0=КВНПе₀*ДЕ_пит*100/U_вх=10^-5*0,5*100/10=0,00005% (4.21)

Суммарная аддитивная погрешность

_адд=_ТКе0+_КВНПе0=0,0025+0,00005=0,00255% (4.22)

Результирующая погрешность интегратора складывается из суммы мультипликативных и аддитивных погрешностей

_У=_мульт+_адд=0,06832+0,00255=0,07087% (4.23)

Следует выделить следующие основные возможности повышения точности работы интегратора [41]:

использование ОУ с малыми значениями U_CM, I_BX и I_BX;

применение внешних цепей компенсации U_CM, I_BX и I_BX;

ограничение максимального времени интегрирования;

использование внешних цепей принудительного обнуления интегратора;

шунтирование интегрирующего конденсатора сопротивлением.

Как известно [42], смещение нуля операционного усилителя вызывается неидентичностью двух его входов, поэтому в качестве одной из мер по уменьшению ошибки интегрирования для компенсации составляющей погрешности I_BX необходимо в цепь неинвертирующего входа ОУ (рисунок 2.6) установить корректирующее сопротивление, величина которого должна быть выбрана из условия

R_KOP = R₁R_OC/(R₁ + R_OC).

При условии компенсации только составляющей I_BX наличие ЭДС смещения нуля и его дрейф приводят к появлению на выходе интегратора сигнала ошибки U_ОШ, достигающего за время интегрирования t_И значения

U_ОШ = U_CM + (U_CM/RC)t_И + (I_BX/С)t_И (4.24)

Следует отметить, что с целью повышения точности измерений в большинстве современных аналого-цифровых измерительных приборов, в основном, цифровыми средствами, периодически производятся операции коррекции нуля выходного напряжения интегрирующих усилителей при закороченных входах. [24]. Погрешность от наличия напряжения дрейфа усилителей может быть достаточно большой, поэтому, зачастую, между циклами преобразования вводится такт автоматической коррекции дрейфа, которая выполняется путем запоминания напряжения смещения на дополнительном конденсаторе и последующего вычитания запомненного напряжения из входного напряжения усилителя [34]. Благодаря такому воздействию погрешность от наличия напряжения дрейфа усилителей снижается более чем на порядок.

Найдем погрешность, вносимую компаратором. В качестве операционного усилителя в компараторе выбираем микросхему К140УД17, параметры которой представлены в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Параметры микросхемы К140УД17

Тип микросхемы	К140УД17
K, тыс.	150
±Uп, В	3-18
Iп, мА	5
±eсм, мВ	0.25
TKeсм, мкВ/К	1.3
Iвх, нА	10
?iвх, нА	5
±Uдр, В	15
±Uсф, В	13
M`сф, дБ	100
f1, МГц	0.4
v, В/мкс	0.1
±Uвых, В	12
Rн, кОм	2

Выбираем резистор R₇=10 кОм типа С2-29В с допуском по сопротивлению 0,05% и ТКС=5*10^-6 1/єC. Резистор R₆ выбираем исходя из рекомендуемого соотношения (R₆+R₇)/R₆=6/1. Тогда намечаем R₆=2,2 кОм типа С2-29В с с допуском по сопротивлению 0,05% и ТКС=5*10^-6 1/єC.

Погрешность компаратора определяется формулой

_комп=U_вр/U_пор (4.25)

где U_пор - напряжение срабатывания компаратора

U_пор=е₀+i_вхR₇R₆/(R7+R6)+100TKE₀*ДT+100*TKi_вх *ДT *R₇R₆/(R7+R6)=

=0,25*10^-3+10*10^-9*10*10³*2,2*10³/(10*10³+2,2*10³)+100*1,3*10^-6*5+

+100*50*10^-6*5*10*10³*2,2*10³/(10*10³+2,2*10³)=0,000451% (4.26)

Тогда погрешность компаратора

_комп=100U_вр/U_пор=100*0,000451/1,2=0,0375% (4.27)

В итоге результирующая погрешность квантователя по вольт-секундной площади по цепи “инвертор - аналоговый ключ - интегратор - компаратор”

_квант=_инв+_АК+_инт+_комп=0,14559+0,1+0,07087+0,0375=0,35387% (4.28)

Поскольку из цепи “повторитель напряжения - аналоговый ключ - интегратор - компаратор ” ранее не была рассчитана лишь погрешность повторителя напряжения, то вычислим ее.

Повторитель напряжения является частным случаем неинвертирующего усилителя, т.е. усилителем с коэффициентом ООС в и коэффициентом усиления Ки, равным единице. Для его построения достаточно выход ОУ непосредственно соединить с И-входом, а на Н-вход подать входной сигнал. Тогда R₂=0, R₁=?. Повторитель напряжения применяется в тех случаях, когда необходимо повысить входное сопротивление или снизить выходное сопротивление некоторого электронного узла. В качестве операционного усилителя в повторителе напряжения выберем К544УД2, параметры которого представлены в таблице 4.1. Вычислим мультипликативные погрешности. Погрешность некомпенсации

д_нк=100/(1+К₀в)=100/(1+20000*1)=0,00499% (4.29)

Синфазная помеха

д_сс=10^-mсс/20*100%=10^-70/20*100%=0,0316% (4.30)

Суммарная мультипликативная погрешность повторителя напряжения

д_мульт= д_нк+ д_сс=0,00499+0,0316=0,03659% (4.31)

Проведем расчет аддитивных погрешностей.

Составляющая от входного тока

д_iвх=100i_вхR_вых=0,5*10^-9*3*10³*100=0,00015% (4.32)

Погрешность, вызванная дрейфом нуля усилителей _ТКе0

_ТКе0=ТКе₀*ДТ*100/U_{вх.макс}=50*10^-6*5*100/10=0,025% (4.33)

Аддитивная погрешность, вызванная неидеальностью источника питания

_КВНПе0=КВНПе₀*ДЕ_пит*100/U_вх=300*10^-6*0,5*100/10=0,0015% (2.53)

Суммарная аддитивная погрешность

_адд=_iвх+_ТКе0+_КВНПе0=0,00015+0,0025+0,0015=0,00415% (4.34)

Результирующая погрешность повторителя напряжения

_У=_мульт+_адд=0,03659+0,00415=0,04074% (4.35)

В итоге результирующая погрешность квантователя по вольт-секундной площади по цепи “повторитель напряжения - аналоговый ключ - интегратор - компаратор”

_квант=_повт+_АК+_инт+_комп=0,04074+0,1+0,07087+0,0375=0,24911% (4.36)

Поскольку погрешность квантователя по цепи “инвертор - аналоговый ключ - интегратор - компаратор” (_квант=0,35387%) превышает погрешность по цепи “повторитель напряжения - аналоговый ключ - интегратор - компаратор” (_квант=0,24911%), то за погрешность квантователя принимаем именно ее значение.

4.2 Определение погрешности устройства дозирования количества электричества

Измерения количества электричества необходимо производить в широких пределах: от измерения количества электричества в кратковременных импульсах тока (единицы милликулон) до измерения количества электричества, протекающего в течение длительного времени (до 10¹¹ Кл). Допускаемая погрешность измерения количества электричества должна находится в пределах ±(0,1-5)%.

Рисунок 4.1 - Устройство дозирования количества электричества.

Поскольку погрешность, вносимая квантователем по вольт-секундной площади была посчитана ранее (см. раздел 4.1), то для определения погрешности дозирования количества электричества в целом нам необходимо рассчитать лишь погрешности, вносимые дифференциальным усилителем, так как прочие элементы схемы дозатора (счетчик импульсов, блок индикации, блок задания дозы и т.д.) не вносят погрешности. Погрешность блока сравнения определяется временем задержки срабатывания этого устройства. Это время весьма незначительно (примерно 10 нс). За столь короткий промежуток времени в электрохимическую установку поступит очень незначительное количество электричества. В связи с этим погрешностью, вносимой этим устройством, можно пренебречь.

Найдем сначала мультипликативные погрешности дифференциального усилителя. Определим погрешность некомпенсации

_нк=100/(1+К₀)=100/(1+70000*0,0909)=0,016% (4.37),

где =1/(1+R₂/R₁)=1/(1+10)=0,0909 - коэффициент обратной связи усилителя.

Погрешность от синфазного сигнала

_сс=10^-mcc/20100=10^-70/20100=0,0316% (4.38)

Погрешность, возникающая вследствие неточности используемых резисторов. В качестве резистора R₁=1 кОм выбираем С2-29В с допуском по сопротивлению 0,05% и ТКС=5*10^-6 1/єC. В качестве резистора R₂=10 кОм также выбираем С2-29В с допуском по сопротивлению 0,05% и ТКС=5*10^-6 1/єC. Тогда

д_R=д_R1+д_R2+(ТКС_R1+ТКС_R2)ДT*100%=0,05+0,05+(5*10^-6+5*10^-6)5*100%=0,105% (4.39)

Суммарная мультипликативная погрешность дифференциального усилителя равна

д_мулт=д_нк+д_сс+ д_R=0,016+0,0316+0,105=0,1526% (4.40)

Остальные неидеальности дифференциального усилителя устраняются применением цепей коррекции.

Таким образом результирующая погрешность дифференциального усилителя равна мультипликативной погрешности д_диф.ус=0,1526%.

Для того чтобы определить итоговую погрешность устройства дозирования количества электричества просуммируем погрешности дифференциального усилителя и квантователя по вольт-секундной площади

д_доз.КЭ=д_квант+д_диф.ус=0,35387+0,1526=0,50647% (4.41)

4.3 Определение погрешности устройства дозирования электрической энергии

Рисунок 4.2 - Устройство дозирования электрической энергии.

В данном устройстве помимо квантователя погрешность вносит импульсное перемножающее устройство. Однако применяемые умножители обеспечивают превосходную статическую точность, достигающую 0,02%. Однако их полоса рабочих частот составляет всего несколько сотен Гц. В рассматриваемом умножителе один из входных сигналов изменяет длительность импульсов в последовательности, а второй - их амплитуду. После этого импульсная последовательность поступает на ФНЧ, частота среза которого намного ниже тактовой. Этот способ является радикальным с точки зрения решения всех проблем, связанных с перемножением аналоговых сигналов. Дешевизна и высокое качество многих современных микросхем ЦАП и АЦП делают его вполне доступным.

Таким образом, поскольку прочие элементы устройства дозирования электрической энергии не вносят погрешностей, то итоговая погрешность рассматриваемого устройства будет определяться суммой погрешностей квантователя по вольт-секундной площади и импульсного перемножающего устройства. Вычислим ее

д_доз.ЭЭ=д_квант+д_множ=0,35387+0,02=0,37583% (4.42)

Диапазон измерения электрической энергии определяется диапазоном изменения номинальных (максимальных) токов и напряжений. Для энергии, потребляемой различными электротехническими устройствами, нижний предел диапазона измерения тока равен примерно 10^-9 А, а напряжения 10^-6 В. Верхний предел диапазона измерения тока равен 10⁴ А, а напряжения - 10⁶ В. Допускаемая погрешность измерения энергии должна находится в пределах ±(0,1-2,5)%.

4.4 Зависимость погрешности дозирования от состава технических средств комплексов дозирования

Поскольку в электротехнические комплексы дозирования помимо рассмотренных выше устройств цифрового дозирования количества электричества и электрической энергии входят также устройства коммутации и датчики тока и напряжения, то необходимо заметить, что погрешность дозирования в целом будет в значительной мере определяться погрешностями указанных устройств. Так как погрешность самих дозаторов невелика, следует уделить особое внимание выбору устройств коммутации и датчиков для того или иного электротехнического комплекса. Погрешность этих устройств не должна намного превышать значения погрешностей самих дозаторов.

Измерения токов и напряжений всегда сопровождаются погрешностью, обусловленной сопротивлением используемого средства измерения. Включение в исследуемую цепь средства измерения искажает режим этой цепи.

Из средств измерений, используемых для измерения токов и напряжений, наименьшим потреблением мощности из цепи измерений обладают компенсаторы (потенциометры), электронные и цифровые приборы.

При исследованиях приходится измерять постоянные токи в мощных энергетических установках, на предприятиях цветной металлургии, химической промышленности - токи, достигающие сотен килоампер. Для измерения токов и напряжений в таком широком диапазоне отечественной промышленностью выпускаются различные средства измерений.

Измерения больших токов и напряжений имеют свои особенности и трудности. Например, при измерении больших постоянных токов с использованием шунтов на шунтах рассеивается большая мощность, приводящая к значительному нагреву шунтов и появлению дополнительных погрешностей. Для уменьшения рассеиваемой мощности и устранения перегрева необходимо увеличивать габариты шунтов или применять специальные дополнительные меры по искусственному охлаждению. В результате шунты получаются дорогими и громоздкими. При измерении больших токов очень важно следить за качеством контактных соединений. О которым протекает ток. Плохое качество контактного соединения может не только исказить режим цепи, и, следовательно, результат измерений, но и привести к обгоранию контакта за счет большой мощности, рассеиваемой на контактном сопротивлении. При измерении больших токов могут возникать дополнительные погрешности от влияния на средства измерений сильного магнитного поля, создаваемого вокруг шин протекающим током. При измерении больших токов возникают погрешности, обусловленные спецификой этих измерений.

Из рабочих средств измерений постоянных токов и напряжений наименьшую погрешность измерений дают компенсаторы постоянного тока. Постоянные токи измеряют с помощью компенсаторов косвенно с использованием катушек электрического сопротивления. При использовании катушек электрического сопротивления типа Р324 класса точности 0,002 и компенсатора типа Р332 можно измерять токи с погрешностью не более 0,0025%. Компенсаторы используют при точных измерениях постоянных токов, ЭДС и напряжений и для проверки менее точных средств измерений. Измерения больших токов осуществляют, как правило, магнитоэлектрическими килоамперметрами с использованием наружных шунтов, а весьма больших токов - с использованием трансформаторов постоянного тока.

5. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

5.1 Трудовые затраты на этапах проектирования

Таблица 5.1.

Содержание работ	Трудоемкость	Исполнитель
	чел/час.	чел/мес.
1. Эскизное проектирование: а) Подбор и изучение литературы	9.84	0.056	Инженер-конструктор 2 категории.
б) Разработка и составление принципиальной схемы	41.82	0.24	Инженер-конструктор 1 категории.
в) Проведение основных расчетов	26.6	0.153	Инженер-конструктор 1 категории.
итого (эскизное проектирование)	78.26	0.449
2.Техническое проектирование: а) Уточнение схемы и расчетов	10.3	0.059	Инженер-конструктор 2 категории.
б) Выполнение чертежей	53.2	0.306	Инженер-конструктор 3 категории.
в) Расчет погрешностей	24.3	0.139	Инженер-конструктор 3 категории.
итого (техническое пр-ние.)	87.8	0.504
итого (общее проектирование)	166.06	0.953

5.2 Расчет стоимости материалов, необходимых для изготовления устройства дозирования электрической энергии

Таблица 5.2.

Наименование компонентов	Шт.	Цена за единицу, руб/шт.	Общая стоимость, руб.
1	2	3	4
Резистор C2-29В 10 кОм±0,05%	6	0,2	1,2
Резистор C2-29В 5,1кОм±0,05%	1		0,2
Резистор C2-29В 2,2 кОм±0,05%	1		0,2
Конденсатор К51 1мкФ?10В±0,05%	1	0,3	0,3
Диод КД522А	1	1,5	1,5
Стабилитрон КС170А	1	2,9	2,9
Семисегментный индикатор АЛС314А	1	3	3
Микросхема К544УД2	2	86,4	172,8
Микросхема КР590КН4	1	19	19
Микросхема К574УД3	1	79	79
Микросхема К140УД17	1	28	28
Счетчик импульсов 74HC160N	1	14,3	14,3
Устройство сравнения 74HC85D	1	6,03	6,03
Умножитель импульсов 40194B	1	9,25	9,25
ИТОГО	337,68

5.3 Расчет основной заработной платы служащих на этапе проектирования

Таблица 5.3.

Должность квалификация исполнителя	Трудовые затраты, Чел/мес.	Должностной оклад, Руб.	Прямой фонд зарплаты, Руб.	Премия 20%, Руб.	Основная зарплата, Руб.	Районный коэффициент 15%	Потребный фонд зарплаты, Руб.
Инж.-кон. 1 кат.	0,4	3000	1200	240	1440	180	1620
Инж.-кон. 2 кат.	0,11	2500	275	55	330	82,5	412,5
Инж.-кон. 3 кат.	0,58	2000	1160	232	1392	348	1740
Итого:							3772,5

Основная зарплата рассчитывается по формуле 5.1.

О.З.=(Ф_пр*П)+Ф_пр (5.1.)

Потребный фонд заработной платы рассчитывается по формуле 5.2.

Ф_п = (О.З.*К_р)+О.З. (5.2.)

где, О.З. - основная зарплата, руб.;

Ф_пр - прямой фонд зарплаты, руб.;

П=20%, премия;

К_р=15%, районный коэффициент;

Ф_п - потребный фонд зарплаты, руб.

5.4 Расчет основной заработной платы рабочих на этапе изготовления опытного образца

Таблица 5.4.

Проффесия и разряд рабочего	Трудоемкость Чел/час.	Часовая тарифная ставка, Руб.	Прямой фонд зарплаты, Руб.	Премия 40%, Руб.	Основная зарплата, Руб.	Районный коэффициент 15%	Потребный фонд зарплаты, Руб.
Техник 4 раз.	20	13	260	104	364	39	403
Монтажник 4 раз.	3,15	11	35	14	49	5,25	54,25
Оператор 4 раз.	8,2	12	98,4	39,36	137,76	14,76	153,52
Контролер 4 раз.	1,33	13	17,29	6,88	24,17	2,58	26,75
Итого:			411		574,9		637,52

5.5 Расчет дополнительной зарплаты и отчислений на социальное страхование рабочих и служащих

Таблица 5.5.

Профессия исполнителя	Дополнительная зарплата (10% от осн.)	Соцстрахование (41% от осн. +доп.)
Инженер-конструктор 1 кат.	144	590
Инженер-конструктор 2 кат.	33	135,5
Инженер-конструктор 3 кат.	139,2	570,72
Техник 4 раз.	36,4	149,24
Монтажник 4 раз.	4,9	21
Оператор 4 раз.	13,7	56,17
Контролер 4 раз.	2,4	9,84
Итого:	373,6	1532,47

5.6 Расчет себестоимости опытного образца

Таблица 5.6.

Статьи расходов	Величина расходов
1.Потребный фонд зарплаты	4410,02
2.Дополнительная зарплата	373,6
3.Отчисление на соцстрахование	1532,47
Итого:	6316,09
1.Материалы, покупные изделия	337,68
Итого:	6653,77

6. ОХРАНА ТРУДА

6.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов на рабочем месте оператора ЭВМ

Рабочим местом при проектировании устройств дозирования электрической энергии и количества электричества является лаборатория. Разработка, проектирование и исследование указанных устройств производится с применением электронно-вычислительной машины. В связи с этим будем рассматривать вредные и опасные производственные факторы, имеющие место при работе оператора ЭВМ.

Согласно ГОСТ 12.0.003-74 “Классификация вредных и опасных производственных факторов” на рабочем месте оператора ЭВМ существуют следующие опасные и вредные факторы:

неблагоприятные параметры микроклимата;

повышенный уровень шума на рабочем месте;

недостаточная освещенность рабочей зоны;

повышенный уровень вибрации;

возможное поражение электрическим током;

повышенный уровень статического электричества;

повышенный уровень электромагнитных излучений;

эргономика рабочего места;

6.2 Микроклимат

Оптимальные и допустимые величины показателей микроклимата определены в соответствии с ГОСТ 12.1.005-88.

Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений приведены в СанПиН 2.2.4.548-96

Таблица 6.1 - Параметры микроклимата на рабочем месте при изготовлении устройств дозирования электрической энергии и количества электричества по ГОСТ 12.1.005-88.

Период года	Температура, С	Относительная влажность, %	Скорость движения воздуха, м/с
	Оптимальная	Верхняя граница	Нижняя граница	Оптимальная	Допустимая	Оптимальная, не более	Допустимая, не более
		На постоянных рабочих местах
Холодный	21-23	24	20	40-60	75	0,1	0,2
Теплый	22-24	28	21	40-60	75 (при 27С)	0,2	0,10,3

Микроклимат на рабочем месте, в соответствии с ГОСТ 12.1.005 - 88, при эксплуатации и испытании устройств дозирования электрической энергии и количества электричества, учитывая что эти категории работ отнесены к группе средней тяжести IIа, должен соответствовать параметрам таблицы 6.2.

Таблица 6.2 - Параметры микроклимата на рабочем месте при эксплуатации и испытании устройств дозирования электрической энергии и количества электричества.

Период года	Температура, С	Относительная влажность, %	Скорость движения воздуха, м/с
	Оптимальная	Верхняя граница	Нижняя граница	Оптимальная	Допустимая	Оптимальная, не более	Допустимая, не более
		На постоянных рабочих местах
Холодный	18-20	23	15	40-60	75	0,2	0,3
Теплый	21-23	27	18	40-60	70 (при 26С)	0,3	0,2-0,4

Содержание вредных химических веществ в воздухе рабочей зоны (лаборатория ЭВМ) не должно превышать предельно допустимых концентраций, указанных в ГОСТ 12.1.005-88.

Оптимизация параметров микроклимата в лаборатории проводится в соответствии с мероприятиями, указанными в СанПиН 2.2.2.542-96 “Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы ”.

Лаборатория оборудована системой отопления и эффективной приточно-вытяжной вентиляцией.

Для повышения влажности воздуха в помещении лаборатории следует применять увлажнители воздуха, заправляемые ежедневно дистиллированной или прокипяченной питьевой водой.

Помещения с ВДТ и ПЭВМ перед началом и после каждого академического часа учебных занятий, до и после каждого занятия в дошкольном учреждении должны быть проветрены, что обеспечивает улучшение качественного состава воздуха, в том числе и аэроионный режим.

6.3 Освещение

Освещение в помещении лаборатории с ЭВМ нормируется СанПиН 2.2.2.542-96. Искусственное освещение в помещениях эксплуатации ВДТ и ПЭВМ осуществляется системой общего равномерного освещения.

Нормы естественного, совмещенного и искусственного освещения для третьего разряда зрительной работы определены согласно СНиП 23-05-95 “Естественное и искусственное освещение”.

Таблица 6.3 - Нормы естественного, совмещенного и искусственного освещения для третьего разряда зрительной работы.

Характеристика зрительной работы	Разряд	Минимальный объект различения, мм	Совмещенное освещение КЕО, %	Естественное освещение, КЕО, %	Искусственное освещение, лк
			боковое	боковое	комб.	общ.
Высокой точности	б	0,3-0,5	1,2	2	1000	3000

Яркость светящихся поверхностей в лаборатории (окна, светильники), находящихся в поле зрения не должна превышать 200 кд/кв.м.

В качестве источников света в рассматриваемой лаборатории применяются люминесцентные лампы. При использовании таких ламп возникает явление стробоскопического эффекта, которое может представлять серьезную опасность. Чтобы исключить появление стробоскопического эффекта применяют двухламповые светильники с емкостным или индуктивным балластом.

В целях улучшения освещения рабочей зоны следует регулярно проводить очистку стекол оконных рам (не реже одного раза в год). Кроме того, необходимо производить замену ламп, исходя из продолжительности горения для данного типа ламп, заявленной производителем.

6.4 Шум

Источниками шума в исследуемой лаборатории могут быть отдельные части ЭВМ и периферийных устройств (системы вентиляции, дисководы, приводы принтеров и т.д.).

Показатели шума регламентируются ГОСТ 12.1.003-83 “Шум”, а также СН 2.2.4/2.1.8.562-96 “ Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки ”.



Рисунок 6.1 - Нормирование шума по предельному спектру.

Согласно СанПиН 2.2.2.542-96 в помещениях, где работают инженерно-технические работники, осуществляющие лабораторный, аналитический или измерительный контроль, уровень шума не должен превышать 60 дБА.

Снизить уровень шума в помещениях с ВДТ и ПЭВМ можно использованием звукопоглощающих материалов с максимальными коэффициентами звукопоглощения в области частот 63 - 8000 Гц для отделки помещений (разрешенных органами и учреждениями Госсанэпиднадзора России), подтвержденных специальными акустическими расчетами.

Дополнительным звукопоглощением служат однотонные занавеси из плотной ткани, гармонирующие с окраской стен и подвешенные в складку на расстоянии 15-20 см от ограждения. Ширина занавеси должна быть в 2 раза больше ширины окна.

Кроме того, при выборе компьютеров и периферийных устройств для них необходимо учитывать их шумовые характеристики.

6.5 Вибрация

Защита от вибрации оговаривается стандартом ГОСТ 12.1.005 - 88: уровень вибрации на рабочем месте не должен превышать предельно допустимых норм. Источником вибрации в рассматриваемой лаборатории ЭВМ может являться вентиляторная установка, расположенная вне помещения. Вибрация может распространяться через жёсткие короба вентиляционной системы до места рабочей зоны. В данном случае имеет место общая вибрация технологического типа. На рисунке 6.2 график 3в показывает допустимые уровни вибрации.

Рисунок 6.2 - Гигиенические нормы вибрации.

Таблица 6.4 - Допустимые нормы вибрации на всех рабочих местах с ВДТ и ПЭВМ.

Среднегеометрические	Допустимые значения
частоты октавных	по виброускорению	по виброскорости
полос, Гц	мс-2	дБ	мс-1	дБ
	оси X, Y
2	5,3х10	25	4,5х10	79
4	5,3х10	25	2,2х10	73
8	5,3х10	25	1,1х10	67
16	1,0х10	31	1,1х10	67
31,5	2,1х10	37	1,1х10	67
63	4,2х10	43	1,1х10	67
Корректированные значения и их уровни в дБ W	9,3х10	30	2,0х10	72

Если не принимать меры по снижению вибрации в помещении, то у человека будет развиваться вибрационная болезнь. Для уменьшения уровня вибрации снижена вибрация самих источников вибрации, для чего:

вентиляторы установлены на виброгасящие основания;

произведена тщательная балансировка подвижных элементов вентилятора;

соединение вентилятора с вентиляционными коробами произведено через гибкий рукав, исключающий передачу вибрации.

6.6 Электробезопасность

Список электрооборудования исследуемой лаборатории включает ЭВМ, принтер, сканнер, два генератора импульсов, два осциллографа, лабораторный стенд, электрический чайник. Суммарная мощность электрооборудования помещения не превышает 5 кВт. Все оборудование является установками до 1000 В. Согласно классификации ПУЭ лаборатория относится к помещениям без повышенной опасности (т.к. влажность не более 60 %, нет возможности одновременного прикосновения человеком к корпусу электрооборудования с одной стороны и к заземленным конструкциям с другой стороны, температура помещения не превышает 35єС).

Для обеспечения электробезопасности лаборатории обеспечена недоступность токоведущих частей, предусмотрено устройство защитного отключения (УЗО), произведено защитное заземление электрооборудования. Заземлению подлежат корпуса приборов, ЭВМ, металлические оболочки кабелей проводов. Корпуса ПЭВМ выполнены из нетоковедущих материалов, имеют клеммы для заземления. Согласно ПУЭ для электроустановок до 1000 В. сопротивление заземлителя не должно превышать 4 Ом. Расчет защитного заземления приведен ниже.

Заземление осуществлено по схеме приведенной на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3. Принципиальная схема защитного заземления в сети с изолированной нейтралью до 1000В и выше.

ГОСТ 12.1.083-82 предъявляет дополнительные требования к уровню напряжения прикосновения и тока через тело человека (таблица 6.5), а также к уровню напряженности электростатического поля (таблица 6.6).

Источниками электростатического поля являются монитор и периферийные устройства. Нормируется данный параметр в соответствие с СН 1757-77.

Для защиты от электростатического поля необходимо обеспечить защитное заземление, а также регулярно проводить увлажнение воздуха рабочей зоны.

Таблица 6.5 - Допустимые уровни напряжения прикосновения тока через тело человека.

Род частоты тока	Наибольшие допустимые значения
	Uпр, В	I, мА
Переменный, 50 Гц	2	0,3
Переменный, 400 Гц	3	0,4
Постоянный	8	1,0

Таблица 6.6 - Допустимые уровни напряженности электростатического поля.

	Нормируемое значение	Погрешность, %
Напряженность электростатического поля	При воздействии до 1 ч. Eпд=60 от 1 ч. до 9 ч. Eпд=60/t Eпр<20, время не регламентируется 20-60, Тд=Еп/Тф	5

Расчет защитного заземления.

Защитное заземление применяется в трехфазных, трех проводных сетях с изолированной нейтралью до 1000 В. Заземление - это преднамеренное электрическое соединение нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением, с землей или ее эквивалентом.

Чтобы обеспечить безопасность работы с устройствами дозирования электрической энергии и количества электричества необходимо иметь защитное заземление с R_з не более 4 Ом. Устройства располагаются в помещении, не относящемся к категории взрывоопасных. Данные удельного сопротивления грунта определяются по табличным данным с учетом климатического коэффициента. Сопротивления искусственного заземлителя R_н не должно превышать предельно допустимого значения сопротивления заземления R_з. Искусственный заземлитель будет представлять собой систему вертикальных электродов, верхние концы которых соединены. Электроды располагаются по контуру на глубину 0,7 м. от поверхности земли (h = 0,7 м.). В качестве вертикальных электродов используем стержни длиной 3м. (l = 3м.) из уголков стали шириной полки 60 мм. (b = 60 мм.).

Определим удельное сопротивление грунта из выражения:

(6.1)

где _Т - табличное значение удельного сопротивления грунта (значение взято для грунта типа суглинок);

- климатический коэффициент (взят в соответствии с табличными данными).

Рассчитаем сопротивление единичного электрода, принимая расстояние t от поверхности грунта до середины электрода равным:

(6.2)

и диаметром d, условной трубы, равным:

(6.3)

Для расчета одиночного вертикального электрода воспользуемся выражением:

(6.4)

Определим необходимое количество электродов с учетом коэффициента использования _Э:

(6.5)

В соответствии с табличными данными находим необходимое число электродов n равное 20

а=3l=33м=9м (6.6)

Находим длину горизонтального проводника, соединяющего электроды:

(6.7)

Для соединения вертикальных электродов используем полосовую сталь сечением 4 Х 10 мм. Определим сопротивление полосы растекания тока, используя выражение:

(6.8)

Находим общее сопротивление системы заземления:

(6.9)

Мы видим, что значение R_И не превышает предельно допустимое значение (4 Ом) для электроустановок, питающихся напряжением до 1000 В.

6.7 Электромагнитное излучение

Допустимые уровни электромагнитного излучения определяются ГОСТ 12.1.006-84 “”Электромагнитные поля радиочастот. Допустимые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля”. Источниками электромагнитного излучения в исследуемой лаборатории являются монитор электронно-вычислительной машины, электронно-лучевые трубки осциллографов, трансформаторы, антенны, а также естественные источники (солнце, магнитное поле Земли).

Допустимые уровни параметров электромагнитного излучения приведены в таблице 6.7 согласно СанПиН 2.2.2.542-96.

Таблица 6.7 - Допустимые значения параметров неионизирующих электромагнитных излучений

Наименование параметров до 01.01.1997	Допустимое значение
Напряженность электромагнитного поля по электрической составляющей на расстоянии 50 см от поверхности видеомонитора	10 В/м
Напряженность электромагнитного поля по магнитной составляющей на расстоянии 50 см от поверхности видеомонитора	0,3 А/м
Напряженность электромагнитного поля на расстоянии 50 см вокруг ВДТ по электрической составляющей должна быть не более:
- в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц;	25 В/м
- в диапазоне частот 2 - 400 кГц	2,5 В/м
Плотность магнитного потока должна быть не более:
- в диапазоне частот 5 Гц - 2 кГц;	250 нТл
- в диапазоне частот 2 - 400 кГц	25 нТл
Поверхностный электростатический потенциал не должен превышать	500 В

Для защиты от действия электромагнитного излучения проводятся следующие мероприятия: уменьшение интенсивности облучения от самого источника, экранирование источника, применение средств индивидуальной защиты.

6.8 Эргономика рабочего места

К психофизиологическим опасным и вредным факторам в работе оператора ЭВМ можно отнести в соответствии с ГОСТ 12.2.032 - 78 нервно - психическое состояние организма, вызванное недостаточной освещенностью и монотонностью труда, а так же плохую организацию рабочего места. Психофизические опасные и вредные факторы ведут к нервно-психическим перегрузкам. В связи с этим производственное оборудование и приборы в лаборатории спроектированы с учетом физиологических и психологических данных человека. Были учтены психическое напряжение работника, использующего разработанное устройство, повышенное внимание и физические нагрузки при работе с устройствами дозирования электрической энергии и количества электричества.

Все виды оборудования удобны для использования. Расположение органов управления обеспечивает экономию движений, исключает неудобное напряжение положения тела.

Для создания благоприятных условий выполнены следующие требования в отношении рабочего места оператора ЭВМ:

рациональный выбор рабочей зоны;

выбор рабочей позы;

выбор оптимального размещения основных и вспомогательных материалов.

Основные элементы рабочего места показаны на рисунке 6.4.



Рисунок 6.4 - Основные элементы рабочего места: 1 - рабочее кресло; 2 - рабочая поверхность; 3 - ЭВМ.

Высота поверхности сиденья определяется высотой подколенной ямки над полом, измеренной в положении сидя при угле сгибания колена на 90°. При высоте стула 400 мм высота рабочей поверхности 710 ± 5 мм является оптимальной. Для удобства эксплуатации монитор ЭВМ установлен на регулируемую подставку, которая позволяет установить его так чтобы обеспечивался удобный зрительный контроль.

В процессе подбора проектирования устройства были учтены следующие факторы:

положение тела оператора;

расположение органов управления;

размер и форма органов управления;

направление, амплитуда и траектория их движения;

отношение величины перемещения ручек управления к величине перемещения указателя индикатора и т.п.

Размер зоны приложения труда ограничивается площадью, оснащенной технологической оснасткой, инструментами и приспособлениями. При расположении элементов рабочего места предусмотрены необходимые средства защиты проектировщика от опасных и вредных факторов в соответствии с ГОСТ 12.0.003 - 74. Взаимное расположение элементов рабочего места способствует оптимальному режиму труда и отдыха, снижению утомления, предупреждению появления ошибочных действий.

Выполнение оператором движений в пределах оптимальной зоны значительно снижает мышечное напряжение. При компоновке ростов и пультов управления учтено, что зона обзора в горизонтальной плоскости без поворота головы составляет 120⁰, с поворотом 130⁰. Допустимый угол обзора по вертикали 130⁰.

Удобное и рациональное расположение материалов, инструментов, приспособлений исключает лишние, непроизводственные движения. Инструменты, обрабатываемые материалы и изделия располагаются на рабочем месте с учетом частоты их употребления: более часто употребляемые размещаются в оптимальной рабочей зоне досягаемости рук без наклонов туловища, редко употребляемые - в более отдаленной зоне.

В целях сведения к минимуму проблемы аварийности и травматизма при эксплуатации изделия, рабочее место соответствует нормам технической и пожарной безопасности, а проектировщик в процессе работы должен соблюдать нормы и требования безопасности труда и не способствовать созданию аварийных ситуаций.

6.9 Противопожарная безопасность

Противопожарная безопасность регламентируется ГОСТ 12.1.004-85 “Пожарная безопасность” и ГОСТ 12.1.010-85 “Взрывобезопасность. Общие требования.”.

Согласно Приказа № 32 от 31.10.95 (введен 1.01.96) лаборатория ЭВМ относится к помещениям категории “Д”, т.е. помещение, содержащее негорючие вещества и материалы в холодном состоянии.

Пожарная безопасность объекта в соответствии с ГОСТ 12.1.004-85 обеспечивается системами предотвращения пожара и противопожарной защиты, предусмотрены организационно - технические мероприятия. Системы пожарной безопасности должны характеризоваться уровнем обеспечения пожарной безопасности людей и материальных ценностей.

Для профилактики пожарной безопасности проводятся следующие мероприятия:

Вентиляция взрывобезопасного исполнения.

Здание строится из несгораемых материалов.

Лаборатория укомплектована переносным огнетушителем.

В центральном коридоре установлен пожарный гидрант.

Во всех помещениях корпуса имеется план эвакуации в случае пожара.

Пожарная сигнализация включает в себя датчики ДИП - 215 3М3. Оповещение световое и звуковое.

Инструктаж персонала по технике безопасности и пожарной безопасности.

В помещении лаборатории, а также в коридоре учебно-лабораторного корпуса находятся первичные средства пожаротушения (огнетушители, гидропомпы, ведра, лопаты, ящики с песком). Лаборатория оборудована порошковым огнетушителем марки ОПС-10. Огнетушитель расположен на видном месте и легкодоступен. Для различных помещений существуют нормы первичных средств пожаротушения. На каждые 100 м² пола производственных помещений требуется 1-2 огнетушителя. В рабочем помещении установлена пожарная сигнализация с тепловым извещателем. Коридоры, лестничные площадки не заставлены посторонними предметами, затрудняющими эвакуацию людей в случае пожара.

Расстояние от лаборатории до пожарного гидранта около 8 метров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы проведено обобщение вопросов построения цифровых дозаторов количества электричества и электрической энергии, разработан принцип дозирования количества электричества и электрической энергии на основе квантования по вольт-секундной площади.

На основании результатов исследований была разработана электроустановка контактной сварки с цифровым дозированием электрической энергии.

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цели и задачи работы, отмечены научная новизна и практическая значимость результатов, а также представлена структура проекта.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса в области дозирования количества электричества и электрической энергии, произведен аналитический обзор существующих электротехнических приборов и изделий, способных работать в структурах проектируемых дозаторов в качестве отдельных элементов этих структур. Проведен сравнительный анализ средств учета и контроля количества электричества и электрической энергии, в котором отмечены как положительные качества, так и недостатки существующих приборов по сравнении с проектируемым.

Во второй главе рассмотрен вопрос о применении принципа квантования интегральных значений измеряемой величины по вольт-секундной площади при аппаратной реализации аналого-цифровых преобразований входных сигналов. Проведено обоснование выбора схемы интегрирующего преобразователя - квантователя, предназначенного для работы в структурах дозирования количества электричества и электрической энергии.

В третьей главе рассмотрен вопрос выбора состава структурной схемы комплекса технических средств дозирования количества электричества и электрической энергии, представлены функциональные схемы.

В четвертой главе проведен метрологический расчет разработанных устройств для цифрового дозирования количества электричества и электрической энергии и дана оценка погрешности спроектированного импульсного интегратора.

В пятой главе приводится экономический расчет разработанных дозаторов количества электричества и электрической энергии, определены затраты на производство указанных устройств (опытные образцы).

В шестой главе рассмотрена организация охраны труда при разработке устройств дозирования количества электричества и электрической энергии, учтены опасные и вредные факторы, которые имеют место при проектировании данных устройств, приведены рекомендуемые организационные мероприятия по улучшению условий труда.

ЛИТЕРАТУРА

1. Прикладная электрохимия. Изд. 2-е, пер. и доп. Под ред. Н.Т. Кудрявцева. М.: «Химия», 1975. 552 с.