Импульсный светосигнальный прибор с цилиндрической линзой

2D Partial Coherence

Исследование двумерной структуры при различной степени когерентности излучения.

В закладке Source: задать Relative NA of condencer.

В закладке Output Control: включить Intensity Plot.

В закладке 2D Object: задать двумерную структуру. Начало координат располагается в центре двумерной структуры, каждый элемент имеет размеры (х -width, y - height) и локальные координаты (X Location, Y Location), задающие геометрический центр элемента, можно задавать угол поворота.

В закладке Color Display: включить Color Display для прорисовки вида двумерной структуры, если этого не сделать будем иметь только двумерные графики распределения интенсивности.

10. Задание допусков, компенсаторов. Анализ изменений оптических характеристик, связанных с допусками.

(Tolerance and Compensators).

Задание допусков и компенсаторов.

Чтобы задать допуска, необходимо в меню Review выбрать Tolerance. Далее в окне Tolerance and Compensators нажать Autofill. В этом окне задаются допуска. Если выбрать «General Default Tolerance», то на выбранные вами поверхности будет задан стандартный (для CODEV) набор допусков в стандартных границах. Если выбрать General Select Tolerance, то у пользователя появится возможность определить только необходимые допуска и их максимальные величины для заданных поверхностей. В меню Lens<Surface

Properties<Tolerance, выбрав интересующую вас поверхность можно посмотреть и изменить в случае необходимости, заданные допуска, а так же воспользовавшись клавишей «Generate Default Tolerance» установить на выбранную поверхность стандартный набор допусков, который при необходимости можно изменять. Здесь же есть возможность указать компенсаторы и соответствующие им максимальные величины.

Типы основных допусков:

BTX - наклон по Х группы поверхностей относительно первой поверхности (в радианах)

BTY - наклон по У группы поверхностей относительно первой поверхности (в радианах)

CYD -

CYN

DLA - наклон поверхности в плоскости YZ относительно ее первоначального положения (в радианах)

DLB- наклон поверхности в плоскости XZ (в радианах)

DLF -

DLN - изменение показателя преломления

DLV - относительно изменение V

DLR - изменение радиуса в мм

DLТ - изменение толщины в мм

DLX - поперечное перемещение в Х направлении в мм

DLY - поперечное перемещения в У направлении в мм

DLZ - перемещение вдоль оси Z

DSX - поперечное перемещение группы поверхностей вдоль Х

DSY - поперечное перемещение вдоль У в мм

TRX -

TRY -

Более подробное описание видов допусков в Reference Manual, том 1, стр2А- 110.1

Анализ влияния допусков.

Анализ влияния допусков рассматривается в меню Analysis/

Tolerancing. В программе CODEV анализ влияния допусков ведется потрем направлениям TOR (влияние допусков на RMS и MTF), TOD (влияние на дисторсию) и TOL (допуска и аберрации первого-третьего порядков).

1.Допуска и RMS (MTF). TOR анализ.

Analysis/ Tolerancing/ RMS wavefront error (MTF)

TOR использует реальный ход лучей. Допуски здесь переменные величины. Это дает возможность рассматривать отклонение RMS (MTF) как функцию от величины допуска (в пределах заданных границ) и рассчитывать вероятностные величины отклонений RMS (MTF). С математической точки зрения в TOR имеем дело с производной d(OPD)/d(tolerаnce). Дифференциальные расчеты в TOR весьма точны, если представить график зависимости OPD от величины допуска, то угол наклона кривой есть производная, рассчитанная в TOR. В TOR принято, что между OPD и tolerance линейная зависимость, тогда для RMS (MTF) эта зависимость становится квадратичной.

Рассматриваемая в TOR линейная модель применима только для малых допусков.

Для каждого луча считается d(OPD)/d(tolerаsnce) для каждого допуска и все суммируется. Таким образом имеем функцию, описывающую зависимость RMS (MTF) от каждого допуска. Функция представлена набором коэффициентов.

В принципе расчет для RMS и MTF различный. Для MTF рассчитывается отклонение главного луча, а для RMS среднее отклонение лучей в ограниченном пучке. И в обоих случаях для лср.

Если в LDM не определять допуски, то по умолчанию считаются все допуски в стандартно заданных границах. Компенсатором будет задний отрезок DLZ.

Закладка Perfomansc Measures

Здесь необходимо задать вид исследуемой функции RMS или MTF (для последней задается partial frequency, azimut). По умолчанию рассчитываются те допуски суммарное влияние которых на изменение RMS (MTF)=0.01. (Если требуется учесть допуски при ином изменении функции см. ниже.)

Закладка Computation Control

Здесь можно выбрать способ задания функции ДRMS: или она зависит от всех допусков (в стандартных границах), представленных в CODEV, тогда будет рассчитана функция распределения вероятности для ДRMS , или только от тех, которые задает пользователь в LDM. Это соответственно

*Inverse Sensitivity (далее INV-режим) или

*Sensitivity of current tolerance

Закладка Tolerance limit

Для INV здесь можно изменять пределы допусков.

Закладка Compensator Control

Здесь можно задать вес на каждое поле для расчета компенсаторов. По умолчанию вес на все поля =1.

Закладка Output Control

Существует два способа вывода данных расчета.

*Extended - для представления отклонения RMS(MTF) в виде функции от величины допуска печатаются коэффициенты : постоянный, линейный и квадратичный.

RMS=(AT2+BT+C)1/2 и MTF= AT2+BT+C ,

где А, В, С - коэффициенты,

Т - величина допуска.

*Standard - стандартная форма вывода без указанных выше коэффициентов. Если хотим посмотреть, какие допуски оказывают какое-либо конкретное влияние на RMS (например, RMS=0,05), то в закладке Output Control включаем Cut-off Perfomance и в поле указываем значение RMS. В результате получаем набор допусков суммарное влияние которых на RMS>0.05.

Если хотим иметь в выводе только допуски, оказывающие какое-либо конкретное влияние на RMS (например, RMS=0,05), то включаем Cut-off Perfomance и в поле указываем значение RMS. В результате получаем набор допусков, суммарное влияние которых на RMS=0,05.

Стандартный лист вывода информации расчета влияния допусков на изменение RMS имеет табличный вид и содержит:

Change in RMS - изменение RMS для ± максимальных значений допусков и величины компенсаторов.

Probably change in RMS - ожидаемое изменение RMS при изменении допусков в заданных границах и ожидаемые величины компенсаторов.

Cumulative Change - какие значения ДRMS принимает с вероятностью 50%, 84.1%, 97.9%, 99.9% при совокупном изменении допусков.

Performance Summary - здесь приводятся значения RMS номинальные и ожидаемые при изменении допуска в заданных границах и соответствующие им значения параметров компенсаторов.

Все данные предоставляются для разных точек поля.

Если в Output Control выбрать *Extended, будут печататься коэффициенты А, В, С (постоянный, линейный и квадратичный) для функции ДRMS (см. выше).

Если в Computation Control выбрать INV-режим, то в выходных данных будет определена Probably Distribution Function - функция распределения вероятности для интересующей нас переменной величины (например, для ДRMS).

Есть три вида RDF: UNI (1D, 2D) - однородная, GAU - Гауссовая, END - допуски принимают только граничные значения. Каждая из этих функций используется для описания разных допусков. Для центрированных допусков (PDS) - UNI 1D; для децентрированных допусков (PDD) - UNI 2D, GAU, END; для иррегулярных (неоднородных) (PDI) - UNI, END.

Interactive Tolerancing

В меню Analysis/ Tolerance/ выбрать Interactive tolerancing. Работа в этом окне позволяет, один раз просчитав TOR, изменять допуски и сразу же иметь результаты изменения RMS (MTF) и соответствующие компенсаторы, не прибегая к пересчету TOR. Можно пользоваться Interactive tolerancing, изменяя в LDM границы допусков и компенсаторов. Но если вводятся новые допуска и компенсаторы, необходимо производить анализ в TOR. Данные в окне Interactive tolerancing можно распечатывать.

Чтобы посмотреть какие типы допусков и компенсаторы заданы в оптической системе достаточно обратится в меню Display>List Lens Data>Tolerance and compensator.

2.Допуска и дисторсия. TOD анализ.

Analysis/ Tolerancing/ Distortion.

TOD анализ считает изменение дисторсии главного луча, вызванное изменением конструктивных параметров системы (иначе наличием переменных допусков). Дисторсия усреденена пол.

TOD анализ используется в тех случаях, когда размер и локализация изображения, являются более важными, чем качество изображения. При повышенных требованиях к качестве используется TOR анализ. В случае, когда интерес представляют как качество, так и локализация изображения , к сожалению единого решения нет, т.к. критерии TOR и TOD различны. Для одних и тех же допусков величины компенсаторов в TOR и TOD анализе будут различными. Сам пользователь должен правильно оценивать результаты анализа и выбирать величины компенсаторов, руководствуясь требованиями к системе.

Расчет TOD базируется на тех же принципах, что и TOR. Рассчитывается дифференциал волновой аберрации по переменным допускам. Изменение позиции главного луча определяется как производная волновой аберрации по зрачковым координатам. Дисторсия апроксимируется как линейная функция по отношению к переменным допускам. Критерием для определения величины компенсатора служит минимизация суммы квадратов х- и у-компонент дисторсии по всем точкам поля. Здесь учитывается вес для точек поля.

Описание вывода данных.

Вывод данных осуществляется в табличном виде как и в TOR.

Первые две колонки содержат описание типа и величины допусков, и обозначены как Manufacturing Error. В следующих двух колонках показано изменение х- и у-компонент дисторсии, соответствующее допускам. И в последней - величины компенсаторов.

В следующей строке указывается прогнозируемое значение изменения дисторсии и соответствующее ему значение компенсатора.

Оптимизация (Automatic Design)

До начала оптимизации необходимо указать параметры, которые будут переменными. Для этого в LDM выделить ячейку с интересующим нас параметром, кликнуть правой кнопкой мыши, выбрать Vary, с этого момента величина становится варьируемой, в ячейке появляется значок «v».

Для проведения оптимизации в меню Optimization выбрать Automatic Design. Automatic Design имеет 9 закладок, которые необходимо заполнить в соответствии с вашими требованиями к процессу оптимизации.

1. Закладка Error Function Control.

Здесь необходимо выбрать тип оптимизации: Transverse Ray Aberration (минимизация геометрических аберраций), Wavefront Error Variance (минимизация отклонений волнового фронта), MTF (по ЧКХ).

2. Закладка General Constraints.

Здесь указываются конструктивные данные системы. Величины должны быть согласованы с данными в LDM, для этого в Option Set выберите Load. Контролируются Maximum center thickness - максимальная толщина по центру в стекле, Minimum center thickness - минимальная толщина по центру в стекле, Min edge thickness - минимальная толщина края в стекле, Min air edge separation -минимальный воздушный промежуток на краю, Min axial air space - минимальный воздушный промежуток по оси.

Здесь можно определить максимальные углы падения по группам элементов.

В CODE V существует возможность проводить оптимизацию с изменением стекла.

В CODE V существуют так называемые «фиктивные стекла», которые определены показателем на d -линию (линия гелия) и числом Аббе VF-C. Эти стекла характеризуются нормальной кривой для дисперсии. Фиктивные стекла определяются в Surface Properties - Material - Name. Обозначаются ХХХ.YYY (могут иметь до 6 цифр до и после «.»), где ХХХ=nd-1, YYY=VF-c/100. Точка десятичного знака указывает на то, что стекла фиктивные. Таким образом фиктивные стекла характеризуются только n и V, существует формула для расчета веса такого стекла, но величину трансмиссии, коэффициентов теплового расширения и другие физические характеристики для фиктивного стекла не определены. В случае необходимости пользователь может сам задать эти характеристики, присвоив, например, фиктивному стеклу свойства реального стекла из каталогов CODE V. Например:

GLA S5 620.603 - определяет, что стекло на поверхности 5 фиктивное GLC S5 0 - n и V варьируются при оптимизации GLH S5 SK16_SCHOТT -присвоить фиктивному стеклу на поверхности 5 все свойства стекла SK16_SCHOOT.

Если вы хотите сделать стекло переменным, надо сделать следующее:

В меню Lens<Surface Properties<Materials, здесь в поле Name записано обозначение стекла, кликните правой кнопкой и выберите Vary. Стекло превратится из реального в фиктивное, переменное, а на дисплее в поле Name появится цифровое обозначение с десятичной точкой. N и V будут варьироваться при оптимизации. Личный каталог стекол нельзя таким образом конвертировать в фиктивный.

Для того чтобы ограничить изменение только n или только V надо вместо Vary выбрать Couple, войти в Couple Editor, где и задать необходимые ограничения. Чтобы определить дисперсию у фиктивного стекла, надо написать название стекла в поле Dispersion Chars и преобразовать модель нормального фиктивного стекла в более сложную, например, не исключая аномальной дисперсии.

Чтобы ограничить изменение характеристик стекла в процессе оптимизации необходимо определить точки границы стекла. Заполняются так называемые карты стекла (Map).

2.Закладка Error Function Weight.

Вес на апертуру по умолчанию 0,5.

Баланс между контрастом и разрешением:

0.0 0.5 - очень высокий контраст, низкое разрешение

0.5 0.0 - высокий контраст, хорошее разрешение (по умолчанию)

1.0 0.5 - хороший контраст, высокое разрешение

1.5 1.0 - низкий контраст, очень хорошее разрешение

Вес на х и у компоненту геометрических аберраций. Для 5 полей по умолчанию имеем:

F1=1.0

F2=0.875

F3=0.5

F4=0.3

F5=0.1, если полей больше 5, то вес на все поля =1.0.

3. Закладка Through Focus Optimization Controls.

Контроль по глубине резкости будет осуществляться с заданным весом только в случае, если в System Data заполнена опция Through Focus..

4. Закладка Output Control.

Можно при необходимости потребовать, чтобы при каждом цикле выводились изменения конструктивных параметров, система прорисовывалась и т.д.

5. Закладка MTF Error Function.

Заполняется, если оптимизация по MTF.

6. Закладка Exit Control.

Выходной контроль. Максимальное и минимальное число циклов…

7. Закладка Specific Constraints.

Здесь задаются требования к целому ряду оптических и конструктивных параметров, которые будут учтены при оптимизации.

Для того чтобы выбрать параметр и наложить на него необходимые нам ограничительные условия при оптимизации, надо зайти в Insert Specific Constrain. Вверху окна расположены два главных поля: Category и Constraint (ограничительное условие).

Category Constraint

Optical Definition Фокус

Увеличение

Общая длина

Расст. до предмета

Расст. до изображения

Расст. до вх. зрачка

Расст. до вых. зрачка

Астигматические отрезки Х

Астигматические отрезки У

Дисторсия Х

Дисторсия У

Manufacturing and Packaging (Здесь задаются ограничения на конструктивные параметры)

Paraxial Ray Trace Data

(Контроль за углами падения, преломления, высотами, минимизация аберраций первого и третьего порядков (суммы Зейделя), продольный и поперечный хроматизм.

Real Ray Trace

Контроль за направляющими косинусами, OPD

Остальные категории более специфичны и понадобится могут лишь в особых случаях.

Заполняя ограничения на какой-нибудь параметр надо выбрать его в Соnstraint. Далее указать, если необходимо, длину волны, величину поля.

Нажав клавишу Calculate Default Target, в поле Constrain Mode получим значение выбранного параметра. Следует указать наши требования к параметру в поле Constraint Mode (= , больше, меньше, минимизировать и т.д.), если выбираем «минимизировать», то имеем возможность задавать вес в поле Weignt. После того, как все необходимые требования заданы, нажимаем клавишу ОК. Таким образом в Specific Constraints появляется запись, задающая ограничения на параметр. Для того чтобы эту запись редактировать достаточно нажать клавишу Edit. Для того чтобы ввести новый параметр, необходимо снова войти в Insert Specific Constrain и повторить все выше описанные действия.

Для запуска оптимизации нажимаем ОК.

После окончания оптимизации все новые данные попадают в LDM.

(Необходимо только пересчитать высоты. Для этого, выделив колонку Semiaperture, кликнуть правую кнопку и выбрать Delete All Clear/OBS aperture.??)

В CODE V существует так называемый глобальный синтез - Global Synthesis. Этот процесс оптимизации связан с глобальным изменением всех конструктивных параметров и созданием совершенно новой системы. Этот процесс достаточно длительный. Условия проведения оптимизации задаются также как и в Automatic Design.

6. Результаты, сравнение и анализ расчетов, произведенных в разных программах

Целью данного дипломного проекта являлась разработка импульсного маяка для вертодромных площадок и составление унифицированной программ расчета для проведения аналогичных расчетов.

В ходе дипломного проекта проводились многовариантные расчеты, в том числе и с помощью программной среды MathCAD, которые, в конечном счете, позволили создать некий математический метод для расчета светильников с цилиндрическими линзами.

Нами была создана программа, которая позволяет менять входные данные для расчета и практически сразу видеть, как это влияет на конечные результаты, как изменились те или иные параметры и что надо поменять для достижения оптимального результата. Это в значительной степени упрощает, ускоряет и что немало важно удешевляет процесс расчета новых приборов такого типа.

Так, например, чтобы использовать источник света с другими геометрическими параметрами, нам надо пересчитать цилиндрическую линзу. При расчете вручную на это ушел бы не один час, но с разработанным методом, расчет занимает считанные минуты. Меняя входные данные, мы незамедлительно получаем пересчитанные КСС светильника. Для получения требуемых кривых мы можем изменить количество верхних или нижних призматических элементов и опять же «с лету» получить обновленные КСС.

7. Конструктивная компоновка (Общий чертеж, общая компоновка)

Рис. 7.1 Общий чертеж, компоновка в 2D виде

Рис. 7.2 Общий чертеж, компоновка в 3D виде - вид сверху

8. Экономическая часть

8.1 Технико-экономическое обоснование целесообразности проведения данной работы

Импульсный светосигнальный прибор входит в состав светосигнальных систем аэродромов и вертодромов. Он необходим для корректировки движения авиатранспорта при заходе на посадку.

Современные радиоэлектронные средства могут обеспечить автоматическую посадку воздушных судов. Однако значительно дешевле не использовать столь сложную и дорогую аппаратуру, а производить посадку авиатранспорта вручную. Исходя из этого соображения, посадки осуществляются пилотом, вступающим в зрительный контакт со светотехническими средствами аэродрома или вертодрома.

Из сказанного выше можно сделать вывод, что светосигнальные системы, в состав которых входит импульсный светосигнальный прибор, крайне важны. Технические сложности решения такой задачи, а также постоянное обновление моделей воздушных судов требуют непрерывного совершенствования светосигнальных средств. Поэтому используются новые источники света и материалы, которые позволяют уменьшить размеры и вес арматур огней.

Цель данной работы заключается в разработке импульсного светосигнального прибора для вертодромной площадки и составление программы расчета (математической модели) с помощью MathCAD 14. В основу математической модели положен метод элементарных отображений и методика, разработанная кафедрой Светотехники МЭИ. Модель связывает оптический и светотехнические расчеты линзы для импульсного прибора и позволяет наглядно оценить влияние различных факторов на конечный результат.

Данная математическая модель унифицирована, т.е. она подходит не только для одного определенного светового прибора и в последствие ее можно использовать для других исследований в этой области. Например, для создания прибора из другого материала или с другим источником света. Меняя только показатель преломления, можно наглядно посмотреть, как изменятся все результаты и сделать соответствующие выводы.

В программе ведется расчет характеристик прибора (оптических и светотехнических), по которым нетрудно в дальнейшем создать импульсный светосигнальный прибор.

8.2 Расчет затрат (ориентировочных) на проектирование светового прибора различными методами

Будем считать, что все расчеты проводились в одном и том же помещении, поэтому все затраты связанные с его арендой и эксплуатацией в обоих расчетах одинаковы. В связи с этим мы не будем учитывать эти затраты.

Чтобы сравнить эффективность методов и понять экономическую выгоду одного из них приведем время разработки определенного заранее количества светильников. Пусть необходимо в год рассчитать 600 светильников для применения на вертодромных площадках.

Время, которое тратится на расчет одного светильника вручную одним инженером - проектировщиком, составляет 16 часов, а при работе на компьютере, с помощью созданной программы - 2 часа. Рассчитаем количество рабочих дней, в течении которых будет рассчитано необходимое количество светильников, одним и вторым методом.

Число рабочих дней необходимых для расчета заданного количества светильников:

где t время, которое тратится на расчет одного светильника с помощью компьютера или инженера - проектировщика; T - длительность рабочего дня; - заданное количество светильников, которое необходимо рассчитать.

Учитывая, что необходимо за 150 рабочих дней вручную добиться такого же результата как и для компьютерного метода подсчитаем необходимое количество инженеров-проектировщиков (n):

источник свет призматический окно

То есть для расчета заданного количества светильников необходимо 150 рабочих дней или 8 месяцев (учитывая, что в месяце 20 рабочих дней).

Пусть зарплата инженера - проектировщика составляет 20000 рублей в месяц. Тогда заработная плата за год составит:

Дополнительная заработная плата:

Отчисление на социальное страхование:



Накладные расходы составляют 75% от общей заработной платы:

Итого чтобы рассчитать за расчетный период (8 месяцев) обоими методами необходимое количество светильников придется затратить:

Хотя очевидно преимущество разработанного компьютерного метода, следует учесть, что для выполнения работы с помощью разработанного метода инженеру требуется компьютер со всем необходимым программным обеспечением.

Пусть стоимость использования часа компьютера - 30 рублей. Тогда в день получается - 240 рублей, а в месяц 4800 рублей.

Затраты на использование компьютера:

Пусть стоимость разработки расчетной программы за месяц - 1875 рублей. Следовательно, затраты на разработку расчетной программы за все 8 месяцев:

Программное обеспечение, необходимое для решения поставленной задачи, включает в себя среду MathCAD 14 (в котором создается математическая модель) и среду AutoCAD 2010, в которой проектируется эскиз будущего светового прибора. Пусть обе необходимые программы куплены сроком на 3 года и будут использоваться весь расчетный период.

Стоимость программы MathCAD 14:

или

Стоимость программы AutoCAD 2010:

или

Суммарная стоимость на программное обеспечение:

138344 рубля.

В результате стоимость дополнительных затрат на программное обеспечение, с учетом амортизации и сроком ее использования:

Стоимость общих дополнительных затрат, то есть с учетом затрат на программное обеспечение, на использование компьютера и разработку программного обеспечения:

Затраты на расчет заданного количества светильников (600 шт.) для компьютерного метода рассчитываются как сумма основных и дополнительных затрат.

Погрешность расчета компьютерного метода составит не более 1%. Погрешность ручного метода посчитать невозможно, т.к. ручной метод в данной работе не рассматривался.

Полученные данные занесем в таблицу 8.1

Таблица 8.1 - Таблица сравнения основных показателей

	Ручной метод	Компьютерный метод
Время, затраченное на расчет одного светильника, час	16	2
Количество инженеров, необходимых для расчета заданного количества светильников (600 штук), чел.	8	1
Затраты на расчет заданного количества светильников (600 шт.), руб	9 615 360	1 286 063
Погрешность расчета	-

Вывод.

В результате можно видеть, что данная методика значительно облегчает (ускоряет) расчет световых приборов и значительно удешевляет расчет. И хотя для того, чтобы начать работу по этой методике требуются дополнительные затраты, все равно этот метод расчета является в 7.5 раз более дешевым по сравнению с обычным ручным методом расчета. Погрешность компьютерного метода составила не более 1%.

9. Охрана труда

9.1 Обеспечение безопасности светового прибора

9.1.1 Краткая характеристика светового прибора

Импульсный светосигнальный прибор с цилиндрической линзой для вертодромных площадок является частью вертодромного светосигнального комплекса. Он предназначен для подачи сигналов экипажу вертолета при посадке. Питание светового прибора осуществляется от промышленной сети.

Конструктивно прибор представляет собой импульсный источник света, окруженный цилиндрической линзой, которая крепится на металлическое основание с помощью герметика. Вся эта конструкция устанавливается на металлической стойке в полости, в которой к световому прибору подходят провода. На рисунке ниже представлен один из возможных вариантов нашего импульсного светового прибора.

Рис. 9.1 Импульсный световой прибор с цилиндрической линзой

9.1.2 Выбор защитной оболочки по IP

Существует система, предназначенная для обозначения степени защиты оболочки электрооборудования от доступа к опасным частям, от проникновения твердых предметов и воды. Эта система в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254) именуется IP (от англ. - Ingress protection).

Для обозначения степени защиты светильника используют следующую маркировку: IP** - где * заменяются на цифры обозначающие степень защищенности, или Х, если степень не определена. Первая цифра показывает степень защищенности от проникновения посторонних предметов, вторая - защита от проникновения жидкости. За цифрами могут идти одна или две буквы, дающие вспомогательную информацию. В таблицах 9.1 и 9.2 приведены степени защиты и описания для защиты от проникновения посторонних предметов и проникновения жидкости соответственно.

Таблица 9.1 Защита от посторонних предметов.

Степень	Защита от посторонних предметов, имеющих диаметр	Описание
0	-	Нет защиты
1	> 50 мм	Большие поверхности тела, нет защиты от сознательного контакта
2	> 12.5 мм	Пальцы и подобные объекты
3	> 2.5 мм	Инструменты, кабели и т.п.
4	> 1 мм	Большинство проводов, болты и т.п.
5	Пылезащищенное	Некоторое количество пыли может проникать внутрь, однако это не нарушает работу устройства. Полная защита от контакта.
6	Пыленепроницаемое	Пыль не может попасть в устройство. Полная защита от контакта.

Таблица 9.2 Защита от проникновения жидкости.

Степень	Защита от проникновения жидкости	Описание
0	-	Нет защиты
1	Вертикальные капли	Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства
2	Вертикальные капли под углом 15?	Вертикально капающая вода не должна нарушать работу устройства, если его отклонить от рабочего положения на угол до 15?
3	Падающие брызги	Защита от дождя. Вода льется вертикально или под углом до 60? к вертикали
4	Брызги	Защита от брызг, падающих в любом направлении
5	Струи	Защита от водяных струй с любого направления
6	Морские волны	Защита от морских волн или сильных водяных струй. Попавшая внутрь корпуса вода не должна нарушать работу устройства
7	Кратковременное погружение	При кратковременном погружении вода не попадает в количествах, нарушающих работу устройства. Постоянная работа в погруженном режиме не предполагается
8	Длительное погружение	Полная водонепроницаемость. Устройство может работать в погруженном режиме

Часто защита от попадания жидкостей автоматически обеспечивает защиту от проникновения. Например, устройство, имеющее защиту от жидкости на уровне 4 (прямое разбрызгивание) автоматически будет иметь защиту от попадания посторонних предметов на уровне 5.

В таблицах 9.3 и 9.4 даны расшифровки буквенных символов дающих дополнительную информацию.

Таблица 9.3 Защита от проникновения к опасным частям прибора различными предметами.

Буква	Защита от касания опасных частей
A	тыльной стороной руки
B	пальцем
C	инструментом
D	проволокой

Таблица 9.4 Дополнительная информация.

Буква	Значение
H	Высоковольтная аппаратура
M	Во время испытаний защиты от воды устройство движется
S	Во время испытаний защиты от воды устройство неподвижно
W	Защита от погодных условий

Для нашего импульсного светосигнального прибора для вертодромной площадки необходимо обеспечить IP65. То есть прибор должен быть пыленепроницаем, иметь защиту от водяных струй с любых направлений, а также иметь надежную защиту всех токоведущих частей. Это необходимо так как данный прибор будет расположен на крышах зданий (чтобы не экранироваться ими) и должна быть возможность использовать его в различных климатических зонах.

9.2 Система питания импульсного светового прибора

9.2.1 Анализ опасности поражения током

Питание прибора осуществляется от промышленной сети, с напряжением 220 В. Тяжесть поражения человека электрическим током определяется напряжением прикосновения, т. е. напряжением между двумя проводящими частями или между проводящей частью и землей при одновременном прикосновении к ним человека. (ПУЭ, п.1.7.24)

Опасность прикосновения, оцениваемая током (), проходящим через тело человека, или напряжением прикосновения (), зависит от ряда факторов: схемы включения человека в электрическую цепь, напряжения сети, а также сопротивлений изоляции и емкостей фазных проводников относительно земли.

Трехфазные сети с глухозаземленной нейтралью выполняются в совокупности с нулевыми проводниками и могут быть четырех- и пятипроводными.

Рассмотрим трехфазную пятипроводную сеть с глухозаземленной нейтралью. (см. рис 9.2)



Рис.9.2 Прикосновение человека к фазному проводнику пятипроводной сети с глухозаземленной нейтралью: а) нормальный режим, б) аварийный режим.

В сети с глухозаземленной нейтралью при нормальном режиме работы (рис. 9.2а) ток, проходящий через человека равен:

где - сопротивление заземлителя нейтрали, Ом.

Согласно требованиям Правил устройства электроустановок (ПУЭ) для сети 220 В наибольшее значение составляет 4 Ом, сопротивление же тела человека не опускается ниже нескольких сотен Ом. Следовательно, без большой ошибки в выражении выше можно пренебречь значением . Из всего сказанного выше следует, что прикосновение к фазному проводнику сети с глухозаземленной нейтралью в нормальном режиме работы опаснее, чем прикосновение к проводнику сети с изолированной нейтралью, т.к. человек в этом случае попадает практически под фазное напряжение независимо от значений сопротивления изоляции и емкости проводников относительно земли.

В сети с глухозаземленной нейтралью при аварийном режиме (рис 9.2,б) ток через человека определяется напряжением фазных и нулевых проводников.

Определим ток , считая что

,

Тогда напряжение нейтрали и нулевого рабочего проводника

,

Напряжение замкнувшегося на землю фазного проводника 1

,

Рис.9.3 Векторная диаграмма для сети с глухозаземленной нейтралью при замыкании фазного проводника L1 на землю.

Напряжение на исправных фазных проводниках определим из векторной диаграммы (рис 9.3). Из треугольника 00'2 найдем:



Рассмотрим два крайних случая, используя формулу выше:

1) Когда , тогда и ;

2) Когда , тогда и ;

Таким образом при любых соотношениях между и напряжения на исправных фазах будет определяться неравенством:

Зная напряжения на проводниках сети с глухозаземленной нейтралью можно определить ток через человека. Например, при прикосновении к исправным фазным проводникам.

Таким образом, если при прикосновении человека к корпусу оборудования или фазе сети напряжение прикосновения (или ток через человека) превысит длительно допустимое значение, то возникнет реальная угроза поражения человека током. Мерой защиты в этом случае может быть, в частности, быстрый разрыв цепи тока через человека, т. е. отключение соответствующего участка сети. Для выполнения этой задачи предназначено защитное зануление либо защитное отключение.

9.2.2 Требования к защитным проводникам

Практическое применение зануления базируется на выполнении ряда требований к электрической сети.

При применении системы TN рекомендуется выполнять повторное заземление нулевых защитных проводников на вводе в электроустановки зданий, получающих питание по кабельным линиям, а также в других доступных местах. Для повторного заземления в первую очередь следует использовать естественные заземлители. Если сопротивление растеканию естественных заземлителей не превышает 30 Ом, выполнение искусственного заземлителя для повторного заземления не требуется. Внутри больших и многоэтажных зданий аналогичную функцию выполняет дополнительное уравнивание потенциалов при помощи присоединения нулевого защитного проводника к сторонним проводящим частям. Такие присоединения следует выполнять как можно более равномерно.

При выполнении автоматического отключения питания в электроустановках до 1 кВ все открытые проводящие части должны быть присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания, если применена система TN. При этом характеристики защитных аппаратов и параметры защитных проводников должны быть согласованы таким образом, чтобы обеспечивалось нормированное время отключения поврежденной цепи защитно-коммутационным аппаратом в соответствии с номинальным фазным напряжением питающей сети. В электроустановках, в которых в качестве защитной меры применено автоматическое отключение питания, должно быть выполнено уравнивание потенциалов.

Сечение нулевых защитных проводников (Sнз) по отношению к сечению фазных проводников (Sц) должно быть не ниже значений, приведенных в табл. 9.5.

Таблица 9.5 Наименьшие сечения защитных проводников

Сечение фазных проводников, мм2	Наименьшее сечение защитных проводников, мм2
5<16	S
16<5<35	16
5>35	5/2

Значения сечений приведены в таблице для случая, когда защитные проводники изготовлены из того же материала, что и фазные проводники. Сечения защитных проводников из других материалов должны быть эквивалентны по проводимости сечениям, получаемым по таблице 9.5.

В случаях, когда, начиная с какой-либо точки электроустановки, нулевой рабочий и нулевой защитный проводник разделены, запрещается объединять эти проводники за этой точкой по ходу распределения энергии. В месте разделения PEN-проводника на нулевой защитный проводник и нулевой рабочий проводник необходимо предусмотреть отдельные зажимы или шины для нулевого рабочего и нулевого защитного проводников, соединенные между собой. PEN-проводник должен быть подключен к зажиму или шине нулевого защитного (PN) проводника.

9.2.3 Выбор защитных мер

Основной мерой защиты от поражения электрическим током в сетях с глухозаземленной нейтралью и системами заземления TN-C, TN-C-S и TN-S напряжением до 1000 В является зануление.

Защитным занулением называется преднамеренное соединение открытых проводящих частей (например, нетоковедущих металлических частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на них фазы) с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора. Это соединение осуществляется с помощью нулевого защитного проводника.

Принцип действия защитного зануления -- превращение замыкания на открытые проводящие части (корпус) в однофазное короткое замыкание (т.е. замыкание между фазным и нулевым защитным проводниками) с целью вызвать большой ток, способный обеспечить срабатывание защиты и тем самым автоматически отключить поврежденную электроустановку от питающей сети. Такой защитой являются: плавкие предохранители или автоматические выключатели.

Таким образом, зануление осуществляет два защитных действия -- быстрое автоматическое отключение поврежденной установки от питающей сети и снижение напряжения зануленных открытых проводящих частей, оказавшихся под напряжением, относительно земли.

9.2.4 Выбор УЗО

Применение УЗО

1) Для защиты человека.

- При прямых прикосновениях (Прикосновения к токоведущим частям)

- При косвенных прикосновениях (Прикосновение к корпусу при повреждении изоляции)

- При КЗ (но нужен обязательно PE, защитный проводник)

2) Для защиты от пожара.

При наличии больших токах утечки УЗО отключает электрическую сеть. (Ток утечки связан с сопротивлением изоляции Если меняется сопротивление изоляции Повышается ток утечки Повышается Т ?С возникает пожар).

Типы УЗО

1. Если ток дифференциальный, то УЗО типа АС

2. Если в цепи имеются выпрямители, то появляются при замыкании однополупериодная составляющая, тогда применяются УЗО типа А

3. Если имеются сглаживающие фильтры, то используем УЗО типа В

Принцип действия УЗО

Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке.

Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока. В абсолютном большинстве устройств, производимых и эксплуатируемых в настоящее время во всем мире, в качестве датчика дифференциального тока используется именно трансформатор тока. В литературе по вопросам конструирования и применения УЗО этот трансформатор иногда называют трансформатором тока нулевой последовательности - ТТНП, хотя понятие "нулевая последовательность" применимо только к трехфазным цепям и используется при расчетах несимметричных режимов многофазных цепей.

Пусковой орган (пороговый элемент) выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах. Исполнительный механизм включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода

В нормальном режиме, при отсутствии дифференциального тока - тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока, протекает рабочий ток нагрузки. Проводники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока. Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке, как I1, а от нагрузки как I2, то можно записать равенство:

I1 = I2.

Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2. Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю.

Пусковой орган находится в этом случае в состоянии покоя.

При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки I1 протекает дополнительный ток - ток утечки (I?), являющийся для трансформатора тока дифференциальным (разностным).

Неравенство токов в первичных обмотках (I1 + I? в фазном проводнике) и (I2, равный I1, в нейтральном проводнике) вызывает неравенство магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трансформированного дифференциального тока. Если этот ток превышает значение порогового элемента пускового органа, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм.

Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.

Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования. При нажатии кнопки "Тест" искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно в целом исправно.

Технические параметры

В качестве примера исполнения УЗО, отвечающего всем требованиям ГОСТ Р 50807-95, в табл. 9.6 приведены технические характеристики АСТРО*УЗО производства ОПЗ МЭИ.

Таблица 9.6 Технические характеристики АСТРО*УЗО.

Наименование параметра	Номинальное значение
Номинальное напряжение Un, B	220, 380*
Частота fn, Гц	50
Номинальный ток нагрузки In, A	16, 25, 40, 63, 80*
Номинальный отключающий дифференциальный ток (установка) , мА	10, 30, 100, 300*
Номинальный неотключающий дифференциальный ток , мА	0.5
Номинальная включающая и отключающая (коммутационная) способность Im, A	1500
Номинальный условный ток короткого замыкания (термическая стойкость) при последовательно включенной плавкой вставке 63 А Inc, A	10000
Номинальное время отключения при номинальном дифференциальном токе Тn, не более, мс	30
Диапазон рабочих температур, оС	-25 - 40
Максимальное сечение подключаемых проводов, мм2	25.50*
Срок службы: электрических циклов, не менее	4000
механических циклов, не менее	10000

* В зависимости от модификации устройства

Выбор номинального дифференциального тока:

Применяется

10 мА - Это допустим один электроприемник с токами до 16А,

30 мА - Когда группа электроприемников; Розеточная группа,

100 мА - В тех случаях, когда емкие электроприборы (Печи, мощные двигатели). Поэтому выбираем

В результате рекомендовано УЗО с параметрами:

In = 63 А.

9.3 Организация рабочего места

Рабочее место - это часть пространства, в котором человек осуществляет трудовую деятельность, и проводит большую часть рабочего времени. Рабочее место, хорошо приспособленное к трудовой деятельности, правильно и целесообразно организованное, в отношении пространства, формы, размера обеспечивает человеку удобное положение при работе и высокую производительность труда при наименьшем физическом и психическом напряжении.

Помещение представляет собой комнату площадью 10 кв. м и высотой 3,5 м. Для выполнения работы предусмотрено два рабочих места, оборудованных ЭВМ с жидкокристаллическим монитором.

9.3.1 Требования к помещению для работы с ЭВМ

1) Помещения для эксплуатации ЭВМ должны иметь естественное и искусственное освещение.

2) Естественное и искусственное освещение должно соответствовать требованиям. Окна в помещениях, где эксплуатируется вычислительная техника, преимущественно должны быть ориентированы на север и северо-восток. Оконные проемы должны быть оборудованы регулируемыми устройствами типа: жалюзи, занавесей, внешних козырьков и др.

3) Площадь на одно рабочее место пользователей ЭВМ с видеодисплейным терминалом (ВДТ) на базе электроннолучевой трубки (ЭЛТ) должна составлять не менее 6 кв. м и с ВДТ на базе плоских дискретных экранов (жидкокристаллические, плазменные) - 4,5 кв. м.

4) Для внутренней отделки интерьера помещений, где расположены ЭВМ, должны использоваться диффузно-отражающие материалы с коэффициентом отражения для потолка: 0,7 - 0,8; для стен: 0,5 - 0,6; для пола: 0,3 - 0,5.

Так как площадь помещения равна 10 кв. м, а число рабочих мест 2, то соответственно площадь на одно рабочее место составляет 5 кв. м.

9.3.2 Требования к оборудованию рабочего места

1) При размещении рабочих мест с ЭВМ расстояние между рабочими столами с видеомониторами (в направлении тыла поверхности одного видеомонитора и экран другого монитора), должно быть не менее 2,0 м, а расстояние между боковыми поверхностями видеомониторов - не менее 1,2 м.

2) Экран видеомонитора должен находиться от глаз пользователя на расстоянии 600 - 700 мм, но не ближе 500 мм с учетом размеров алфавитно-цифровых знаков и символов.

3) Высота рабочей поверхности стола для пользователей должна регулироваться в пределах 680 - 800 мм; при отсутствии такой возможности высота рабочей поверхности стола должна составлять 725 мм.

4) Рабочий стол должен иметь пространство для ног высотой не менее 600 мм, шириной - не менее 500 мм, глубиной на уровне колен - не менее 450 мм и на уровне вытянутых ног - не менее 650 мм.

5) Конструкция рабочего стула (кресла) должна обеспечивать поддержание рациональной рабочей позы при работе на ЭВМ, позволять изменять позу с целью снижения статического напряжения мышц шейно-плечевой области и спины для предупреждения развития утомления. Тип рабочего стула (кресла) следует выбирать с учетом роста пользователя, характера и продолжительности работы с ЭВМ. Рабочий стул (кресло) должно быть подъемно-поворотным, регулируемым по высоте и углам наклона сиденья и спинки, а также расстоянию спинки от переднего края сиденья, при этом регулировка каждого параметра должна быть независимой, легко осуществляемой и иметь надежную фиксацию.

6) Рабочее место пользователя ЭВМ следует оборудовать подставкой для ног, имеющей ширину не менее 300 мм, глубину не менее 400 мм, регулировку по высоте в пределах до 150 мм и по углу наклона опорной поверхности подставки до 20?. Поверхность подставки должна быть рифленой и иметь по переднему краю бортик высотой 10 мм.

7) Клавиатуру следует располагать на поверхности стола на расстоянии 100 - 300 мм от края, обращенного к пользователю или на специальной, регулируемой по высоте рабочей поверхности, отделенной от основной столешницы.

9.3.3 Требования к освещению на рабочем месте

Безопасность и здоровые условия труда в большой степени зависят от освещенности рабочих мест и помещений. Неудовлетворительное освещение утомляет не только зрение, но и вызывает утомление организма в целом.

Существуют следующие требования к освещению на рабочих местах, оборудованных ЭВМ:

1) Рабочие столы следует размещать таким образом, чтобы ВДТ были ориентированы боковой стороной к световым проемам, чтобы естественный свет падал преимущественно слева.

2) Искусственное освещение в помещениях для эксплуатации ЭВМ должно осуществляться системой общего равномерного освещения.

3) Освещенность на поверхности стола в зоне размещения рабочего документа должна быть 300- 500 лк. Освещение не должно создавать бликов на поверхности экрана. Освещенность поверхности экрана не должна быть более 300 лк.

4) Следует ограничивать отраженную блесткость на рабочей поверхности (экран, стол, клавиатура и др.) за счет правильного выбора типов светильников и расположения рабочих мест по отношению к источникам естественного и искусственного освещения.

5) В качестве источников света при искусственном освещении следует применять преимущественно люминесцентные лампы типа ЛБ и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).

6) Для освещения помещений с ЭВМ следует применять светильники с зеркальными параболическими решетками, укомплектованными электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА). Допускается использование многоламповых светильников с ЭПРА, состоящими из равного числа опережающих и отстающих ветвей. Применение светильников без рассеивателей и экранирующих решеток не допускается. При отсутствии светильников с ЭПРА лампы многоламповых светильников или рядом расположенные светильники общего освещения следует включать на разные фазы трехфазной сети.

Определения числа светильников будем проводить по методу коэффициента использования [1].

Для расчета будем использовать светильник PRBLUX/R 418 фирмы «Световые технологии», оптическая часть которого представляет собой зеркальные бипараболические решетки из анодированного алюминия в алюминиевой рамке.

Лампы, используемые в светильнике, возьмем фирмы Philips со световым потоком 1150 лм.

Освещенность нормируется на высоте 0,8 м от пола и равна 300 лк. Пусть коэффициенты отражения поверхностей комнаты равны 0.8,0.5,0.3.

Размеры помещения:

Расчетная высота:

Индекс помещения:

Коэффициент использования будем определять по справочным данным в зависимости от типа светильников, коэффициентов отражения потолка, стен, расчетной поверхности и индекса помещения.

Коэффициент использования [1]:

Число ламп в светильнике:

Коэффициент запаса:

Требуемое количество светильников:



Следовательно, можно сделать следующий вывод, что для обеспечения нормируемой освещенности необходимо 3 светильника типа PRBLUX/R 418.

9.3.4 Требования к уровню шума

Вредные действия шума на организм человека могут иметь самые тяжелые последствия, включая поражение органов слуха и центральной нервной системы. Основными источниками шума в офисных помещениях являются печатающие устройства, множительная техника и установки для кондиционирования воздуха, а в самих ПК - вентиляторы систем охлаждения и трансформаторы.

Допускаемые уровни звукового давления в октавных полосах частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочем месте следует принимать по таблице 9.7 [9]

Таблица 9.7 Допускаемые уровни звукового давления

Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц	Уровни звука и эквивалентные уровни звука, дБ
31.5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
86	71	61	54	49	45	42	40	38	50

Шумящее оборудование, уровни шума которого превышают нормативные, должно размещаться вне помещений с ЭВМ.

9.3.5 Требования к микроклимату

Под микроклиматом в помещении понимают совокупность параметров воздуха: температура, влажность, скорость его перемещения, а также температуры окружающих поверхностей.

Оптимальные микроклиматические условия установлены по критериям оптимального теплового и функционального состояния человека. Они обеспечивают общее и локальное ощущение теплового комфорта в течение 8-часовой рабочей смены при минимальном напряжении механизмов терморегуляции, не вызывают отклонений в состоянии здоровья, создают предпосылки для высокого уровня работоспособности и являются предпочтительными на рабочих местах.

Оптимальные параметры микроклимата на рабочих местах должны соответствовать величинам, приведенным в таблице, применительно к выполнению работ различных категорий в холодный и теплый периоды года [10].

Таблица 9.8

Период года	Категория работ по уровню энергозатрат, Вт	Температура воздуха, ?С	Температура поверхностей, ?С	Относительная влажность воздуха, %	Скорость движения воздуха, м/с
Холод-ный	1а (до 139)	22-24	21-25	60-40	од
	1б (140-174)	21-23	20-24	60-40	0.1
	Па (175-232)	19-21	18-22	60-40	0.2
	Пб (233-290)	17-19	16-20	60-40	0.2
	III (более 290)	16-18	15-19	60-40	0.3
Теплый	1а (до 139)	23-25	22-26	60-40	0.1
	1б (140-174)	22-24	21-25	60-40	од
	Па (175-232)	20-22	19-23	60-40	0.2
	Пб (233-290)	19-21	18-22	60-40	0.2
	III (более 290)	18-20	17-21	60-40	0.3

Так как выполнение работы в данном помещении сопровождается незначительным физическим напряжением, то эта работа относится к категории 1а.

9.3.6 Требования к пожарной безопасности

Для устранения опасности возникновения пожара при оборудовании и эксплуатации помещений, предназначенных для работы с ПК, следует соблюдать «Правила пожарной безопасности Российской Федерации».

По взрывопожарной и пожарной опасности помещения подразделяются на категории А, Б, В, Г и Д [11].

Категории взрывопожарной и пожарной опасности помещений определяются для наиболее неблагоприятного в отношении пожара или взрыва периода, исходя из вида находящихся в аппаратах и помещениях горючих веществ и материалов, их количества и пожароопасных свойств, особенностей технологических процессов [11].

Помещение, в котором выполняется работа, относится к категории ВЗ. Для данной категории помещения характерны следующие материалы и вещества, находящиеся в нем: