Раздел I – Анализ исходных данных и формирование расширенного технического задания на проектирование

Данный раздел выполняется с целью выявления сути, оценки объема и плана предстоящей работы. Рекомендуется привести описание принципа действия разрабатываемой датчиковой системы. Выявить особенности преобразования измеряемой величины (физической, химической, биологической и т.д.) в выходной электрический сигнал. Наиболее наглядно принцип действия иллюстрируется с помощью структурной схемы процесса преобразования.

Для примера рассмотрим структурную схему процесса преобразования в датчике давления с полупроводниковым преобразователем магнитного поля – элементом Холла (рис. 1).

Давление®Деформация упругого элемента®Взаимное перемещение постоянного магнита и гальваномагнитного датчика®Изменение градиента магнитной индукции® Изменение ЭДС Холла (изменение выходного сигнала)

Рисунок 1–Схема процесса преобразования в датчике давления с использованием полупроводникового преобразователя Холла

Еще одним примером может служить схема, применяемая в электромагнитном расходомере – рис. 2

Рисунок 2 – Принципиальная схема электромагнитного расходомера:

а – с постоянным магнитным полем; б – с переменным магнитным полем

В данном разделе проекта могут быть представлены также аналитические или табличные (таблица 1) зависимости, существенные для анализа измеряемой величины.

Таблица 1. 1–Определение точки росы в зависимости от температуры и относительной влажности

Целесообразно также привести типичную конструкцию датчика, который является прототипом будущей разработки. На рис. 3 для примера представлена типовая структура датчика детонации двигателя внутреннего сгорания.

Рисунок 3 – Датчик детонации

В данном разделе следует тщательно проанализировать исходные данные к проекту и определить их корректность в соответствии с выбранным принципом преобразования и условиями эксплуатации. В случае невозможности реализации некоторых из них в разрабатываемой датчиковой системе следует привести четкую аргументацию и установить параметры, значения которых реально может быть достигнуто.

Обязательным подразделом является формулирование расширенного технического задания на проектирование.

Расширенное техническое задание на проектирование выполняется в соответствии с требованиями ГОСТ.

Структура технического задания должна содержать следующие разделы:

1. Наименование изделия

Содержание данного раздела, как правило, совпадает с формулировкой темы на курсовое проектирование.

2. Цели и задачи разработки

В данном разделе описывается назначение проектируемого устройства, область применения и принцип действия.

3. Условия эксплуатации

Содержание этого раздела ТЗ характеризует внешние условия эксплуатации разрабатываемого устройства. Здесь, как правило, перечисляются такие параметры как температура окружающей среды, влажность, атмосферное давление и др.

4. Технические параметры

Этот раздел содержит перечисление и значения технических параметров проектируемого устройства. Задача разработчика ТЗ выделить ключевые параметры и определить их значения.

Здесь должны быть определены основные характеристики проектируемого устройства, выявлены предельно достижимые и разумные значения параметров. Следует отметить, что иногда при проектировании приходится возвращаться к ТЗ и корректировать как состав, так и значения параметров.

5. Функциональные возможности

В данном разделе перечисляются основные функциональные возможности проектируемого устройства. В частности, возможности управления, способы индикации параметров и состояния устройства, возможности программирования, наличие блокировок и т.д.

6. Надежность

Данные требования включают в себя:

1. Вероятность безотказной работы есть вероятность того, что в заданном интервале времени при заданных режимах и условиях работы в аппаратуре не произойдет ни одного отказа.

2. Наработкой на отказ называют среднюю продолжительность работы аппаратуры между отказами.

7. Состав изделия

Данный раздел технического задания содержит краткое описание конструктива. Для каждого конструктива необходимо определить класс защиты по классификации IP в соответствии с ГОСТ 14254-96 (МЭК 529-89)

В этом же разделе следует указывать массогабаритные характеристики, как всей микросхемы, так и ее микроэлектронной части, а также количество внешних выводов микроэлектронного изделия.

8. Требования к безопасности

Как правило, в данном разделе указывается класс защиты от поражения электрическим током.

9. Состав разрабатываемых документов

Здесь перечисляются выходные документы, представляющие собой результат проектирования. В зависимости от типа проектируемого устройства состав документов может варьироваться, но ниже перечисленные являются обязательными:

- схема электрическая принципиальная;

- перечень элементов;

- сборочный чертеж;

- спецификация;

- деталировки оригинальных элементов конструкции датчика.

Приведем образец расширенного технического задания на примере измерения показателя активности ионов водорода

1. Наименование изделия рН-метр.

2. Назначение изделия рН-метр со стеклянным электродом предназначен для измерения показателя активности ионов водорода (pH), температуры водных растворов и электродвижущей силы (ЭДС).

Область применения pH-метра − на предприятиях теплоэнергетики, химической, металлургической, фармацевтической промышленности, в сельском хозяйстве, биологии и других отраслях промышленности.

Принцип работы рН-метра

В основу работы рН-метра положен потенциометрический метод измерения рН контролируемого раствора.

Электродная система при погружении в контролируемый раствор развивает ЭДС, линейно зависящую от значения рН. Сигнал (ЭДС) с электродной системы и сигнал с датчика температуры подаются на блок преобразовательный, в котором сигналы усиливаются, преобразуются в цифровую форму.

Измеренное значение ЭДС электродной системы в рН-метре пересчитывается в значение рН с учетом температуры анализируемого раствора, т.е. выполняется автоматическая термокомпенсация, которая компенсирует только изменение ЭДС электродной системы.

3. Условия эксплуатации

По устойчивости к климатическим воздействиям pH-метр имеет группу исполнения В4 по ГОСТ 12997-84.

По устойчивости к механическим воздействиям pH-метр имеет исполнение L1 по ГОСТ 12997-84.

По устойчивости к воздействию атмосферного давления pH-метр имеет исполнение Р1 по ГОСТ 12997-84. Атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа.

Рабочие условия эксплуатации:

температура окружающего воздуха, °С от 0 до плюс 120;

относительная влажность окружающего воздуха при температуре +35 °С и более низких температурах без конденсации влаги, %, не более 80;

атмосферное давление, кПа (мм рт. ст.) от 84,0 до 106,7 (от 630 до 800).

Условия применения pH-метра приведены в табл. 2.

Таблица 2– Условия применения pH-метра

Продолжение таблицы 2

4. Технические параметры

Электрическое питание pH-метра осуществляется от автономного источника постоянного тока напряжением от 2,2 до 3,4 В − от двух щелочных гальванических элементов типа АА либо от двух металлогидридных аккумуляторов типа АА.

Потребляемая мощность при номинальном напряжении питания 3,0 В, мВт, не более:

- без подсветки индикатора 20;

- с подсветкой индикатора 300.

Диапазон измерения показателя активности ионов водорода (рН) pH-метра при температуре анализируемой среды (25,0±0,2) °С, рН от 0,000 до 12,000.

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности pH-метра при измерении рН при температуре анализируемой среды (25,0±0,2) °С и температуре окружающего воздуха (20±5) °С, рН ±0,050.

Пределы допускаемой дополнительной абсолютной погрешности pH-метра ±0,100.

Пределы допускаемой дополнительной абсолютной погрешности рН-метра при измерении температуры анализируемой среды, вызванной изменением температуры окружающего воздуха на каждые ±10 °С от нормальной (20±5) °С в пределах рабочего диапазона температур от + 5 до + 50°С,

Диапазон измерения преобразователя при измерении рН, рН от 0,000 до 15,000.

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности преобразователя при измерении рН при температуре окружающего воздуха (20±5) °С, рН ±0,020.

Пределы допускаемой дополнительной абсолютной погрешности преобразователя при измерении рН, вызванной изменением температуры анализируемой среды в диапазоне от 0 до плюс 70 ⁰С (погрешность температурной компенсации преобразователя), рН ±0,020.

Пределы допускаемой дополнительной абсолютной погрешности преобразователя при измерении рН, вызванной изменением температуры окружающего воздуха, на каждые ±10 ⁰С от нормальной (20±5) °С в пределах рабочего диапазона температур от плюс 5 до плюс 50 °С, рН ±0,005.

Время установления выходных сигналов (показаний) преобразователя, с, не более 10.

Время установления выходных сигналов (показаний) pH-метра, мин, не более 10.

5. В изделии предусмотрена автоматическая термокомпенсация величины рН. Измеритель температуры – встроенный терморезистор. Уровень рН и температура анализируемой среды отображаются на жидкокристаллическом индикаторе преобразовательного блока.

6. Требования к надежности

- вероятность безотказной работы, не менее 0,9;

- средняя наработка на отказ (за исключением электродов), ч, не менее20000;

- среднее время восстановления работоспособности, ч, не более 2;

- средний срок службы pH-метров, лет, не менее 10.

Степень защиты блока преобразовательного, обеспечиваемая оболочкой IP65, соответствует ГОСТ 14254-96.

При подключении к персональному компьютеру (ПК) через порт USB pH-метр осуществляет обмен информацией с ПК.

7. Состав изделия

В состав pH-метра входят: Блок датчиков (индивидуальный) - 1 шт.

Блок электронного преобразования - 1 шт.

Розетка 2РМ14КПМ4Г1В1 - 1 шт.

Вилка 2РМ14КПМ4Ш1В1 - 1шт.

Кольцо обжимное - 2 шт.

Гибкий шланг для подключения блока датчиков длиной 80 см - 1 шт.

Индивидуальный паспорт.

Руководство по эксплуатации (одно на партию до 5 преобразователей).

Свидетельство о калибровке.

Шприц одноразовый (1 шт. на партию до 5 pH-метров).

В комплект поставки pH-метра, кроме того, должны входить:

Электрод измерительный стеклянный ЭСТ-0601, (паспорт ИТ 418422.001-08 ПС) или аналогичный - 1шт.

Электрод сравнения Эср-10105 (паспорт ИТ 418422.020-01 ПС) или аналогичный - 1шт.

Паспорт на электрод измерительный (1 на партию до трех электродов).

Паспорт на электрод сравнения (1 на партию до трех электродов).

Габаритные размеры блока датчиков, мм, не более 210мм×150мм×110мм;

Габаритные размеры блока преобразовательного, мм, не более 200мм×100мм×50мм;

Масса pH-метра без блока преобразовательного не превышает 4,0 кг. Масса блока преобразовательного не превышает 0,6 кг.

По защищенности от воздействия окружающей среды pH-метр (за исключением электродов) имеет исполнение IP65 по ГОСТ 14254-96.

8. Электрическое сопротивление изоляции между цепью питания и корпусом блока электронного преобразования pH-метра - не менее 40 МОм по ГОСТ 12997.

Изоляция цепи питания относительно корпуса блока электронного преобразования pH-метра выдерживает в течение 1 мин. действие испытательного напряжения практически синусоидальной формы частотой от 45 до 65 Гц с напряжением 1,5 кВ по ГОСТ 12997.

9. Состав конструкторской документации:

- схема электрическая принципиальная;

- перечень элементов;

- сборочный чертеж;

- спецификация;

- деталировки оригинальных элементов конструкции.

Все схемы и чертежи приводятся в приложениях пояснительной записки и выполняются в строгом соответствии с ЕСКД.