На тему: «сигнализатор уровня воды на базе транзистораbs547 »

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

«_____» ноября 2014 г. ________________

Подпись

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОПИСАНИЕ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ.

1.1. Теоретические сведения об устройстве.

1.2. Виды уровнемеров.

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА.

2.1. Выбор схемы сигнализаторов уровня воды.

2.2. Описание элементной базы устройства.

2.3. Реализация схемы технического устройства в пакете прикладных программ EWB.

3. РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА.

3.1. Реализация устройства в пакете программ Sprint-Layout.

3.2. Сборка сигнализатора уровня воды.

4. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА РАБОТЫ ТЕХНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА.

4.1. Тестирование и отладка устройства.

4.2. Проверка качества устройства согласно ГОСТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.

ГЛОССАРИЙ.

СПИСОК АББРЕВИАТУР.

ПРИЛОЖЕНИЕ.

Введение

Сигнализаторы уровня воды позволяют автоматизировать управление и контроль в технологических процессах; т.е. снизить влияние человеческого фактора, что позволяет, с одной стороны, повысить качество продукции и оптимизировать расход сырья, а, с другой, снизить требования к квалификации и опыту персонала.

Цель исследования: Разработка сигнализатора уровня воды на базе транзисторов BS547.

Объект исследования: сигнализатор уровня воды

Предмет исследования: Разработка сигнализатора уровня воды на базе транзисторов BS547, как средство автоматизации управления и контроля в технологических процессах.

Задачи исследования:

1. Рассмотреть роль сигнализатора уровня воды.

2. Раскрыть технологию и значение сигнализатора уровня воды.

3. Спроектировать устройство.

4. Описать процесс разработки сигнализатора для проверки уровня воды как средство проверки.

5. Проанализировать качество разработанного устройства.

Методы исследования. Для решения поставленных задач, были применены следующие методы исследования:

1. Анализ литературы по изучению сигнализатора уровня воды.

2. Сравнение существующих сигнализаторов уровня воды.

3. Проектирование схемы сигнализатора уровня воды.

4. Графическое моделирование сигнализатора уровня воды.

5. Реализация сигнализатора уровня воды.

Гипотеза исследования: Использование сигнализатора уровня воды увеличит производительность труда сотрудников АЗС, а также повысит точность и оперативность прогнозов по исчерпания топлива в бензоколонках

Практическая значимость исследования: Данный прибор позволяет осуществлять быстрый контроль за уровнем воды, таким образом, позволяя автоматизировать управление некоторых технических процессов.

Структура и объём работы: Пояснительная записка к курсовой работе выполнена на одной странице машинописного текста, содержит 18 рисунков и 3 таблицы. Состоит из введения четырёх разделов, заключения, приложения, библиографического списка, глоссария и списка аббревиатур. Библиографический список содержит 22 наименований отечественных авторов.

В первом разделе представлены результаты описания предметной области.

Во втором разделе представлено обоснование выбора схемы и реализации её в пакете прикладных программ.

В третьем разделе приведено описание процесса реализации устройства с помощью пакета прикладных программ и процесс пошаговой сборки устройства.

В четвёртом разделе приведено описание качества устройства согласно ГОСТ, описаны возникшие ошибки в процессе реализации устройства и пути их устранения.

В заключении представлены результаты курсовой работы и сделан вывод целесообразности использования данного устройства.

В приложении приведена таблица цветной кодировки резисторов.

 

 

ОПИСАНИЕ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1.1 Теоретические сведения об устройстве

Уровнемеры - это приборы для определения количества жидкости или сыпучего материала с целью их учета и сигнализации о переполнении бункеров, расходных баков и других сосудов.

Уровнемеры еще называют датчиками (сигнализаторами) уровня или же преобразователями уровня.

Уровнемеры разделяют по продукту (веществу), уровень которого измеряется:

· датчики уровня для жидкостей (вода, растворы, суспензии, нефтепродукты, масла и т.п.)

· датчики уровня для сыпучих веществ (порошки, гранулы и т.п.)

 

1.2 Виды уровнемеров

По принципу действия эти уровнемеры разделяются: визуальные, поплавковые, гидростатические, электрические, ультразвуковые, радиоизотопные.

Визуальные уровнемеры

Визуальные уровнемеры - простейшие измерители уровня жидкости. К технологическому аппарату через запорные вентили подсоединено указательное стекло. Аппарат и трубка представляют собой сообщающиеся сосуды, поэтому уровень H жидкости в трубке всегда равен ее уровню в аппарате и отсчитывается по шкале (рисунок 1).

Поплавковые уровнемеры

Чувствительный элемент - поплавок, находящийся на поверхности жидкости. Поплавок уравновешивается грузом, который связан с поплавком гибким тросом. Уровень жидкости определяется положением груза относительно шкалы. Пределы измерений устанавливают в соответствии с принятыми значениями верхних (ВУ) и нижних (НУ) уровней.

Значительно надежнее тонущие поплавки - массивные буйки. При изменении уровня жидкости по закону Архимеда изменяется действующая на конец рычага выталкивающая сила. Соответственно изменяющийся момент сил, действующих на рычаг, от буйка передается через вал, закрепленный в донышке, на трубку и уравновешивается моментом ее скручивания. Изменение угла скручивания трубки пропорционально величине уровня (рисунок 2).

Гидростатические уровнемеры

Гидростатический метод измерения уровня основан на измерении гидростатического давления столба жидкости по формуле:

P = ρgh,

где P – давление, ρ – плотность, g – ускорение свободного падения, h – высота столба жидкости, не зависящее от формы и объема резервуара.

Гидростатические датчики давления (уровня) применяются для измерения уровня любых жидкостей, начиная от воды и заканчивая пастами, в резервуарах, скважинах, колодцах.

Имеют ограниченное применение из-за условий применения (монтаж на днище резервуара, требуется постоянная плотность измеряемого объекта, только для спокойных объектов/процессов).

Конструктивно гидростатические датчики бывают двух типов: колокольные (погружные) и мембранные (врезные).

Принцип действия основан на преобразовании деформации упругого чувствительного элемента под воздействием гидростатического давления (столба жидкости над чувствительным элементом) в аналоговый токовый сигнал (рисунок 3).

Электрические уровнемеры

Принцип действия электрических уровнемеров основан на различии электрических свойств жидкостей и газов.

Основным параметром, определяющим электрические свойства проводников, является их электропроводность, а диэлектриков – относительная диэлектрическая проницаемость.

В зависимости от того, какой выходной параметр (сопротивление, емкость или индуктивность) первичного преобразователя «реагирует» на изменение уровня, электрические уровнемеры подразделяются на такие виды: емкостные, кондуктометрические и вибрационные.

Ультразвуковые уровнемеры

Ультразвуковые уровнемеры имеют много преимуществ перед другими видами – они обладают хорошей точностью измерения, не меняют своих характеристик при использовании и имеют низкую стоимость.

В акустических (ультразвуковых), уровнемерах используется явление отражения ультразвуковых колебаний от плоскости раздела сред жидкость-газ.

Действие уровнемеров этого типа основано на измерении времени прохождения импульса ультразвука от излучателя до поверхности жидкости и обратно.

Распространен вариант установки ультразвукового датчика в верхней части емкости. При этом сигнал проходит через воздушную среду, отражаясь от границы с твердой (жидкой) средой. Уровнемер в этом случае называется акустическим. Существует, также, вариант установки датчика в дно емкости (рисунок 4).

Уровнемер акустический

Уровнемер акустический предназначен для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред, в том числе взрывоопасных, агрессивных, вязких, неоднородных, выпадающих в осадок, а также сыпучих материалов с диаметром гранул и кусков от 5 до 300 мм, при температуре контролируемой среды от минус 30 ºС до плюс 250 ºС и давлении – до 4 МПа, сред с самыми различными физическими свойствами, за исключением сильнопарящих, сильнопенящихсяжидкостей и мелкодисперсных и пористых гранулированных сыпучихпродуктов. Диапазон работы ультразвуковых уровнемеров – до 25 м. Для получения точных результатов измерения жидкость должна быть равномерной по составу и иметь одинаковую температуру.

Радиоизотопные уровнемеры

Радиоизотопные уровнемеры основаны на сравнении интенсивностей потоков α- или β-излучения, проходящих выше либо ниже уровня раздела двух сред разной плотности. Применение этих приборов целесообразно в случае невозможности использовать иные уровнемеры.

Емкостные уровнемеры

Простейший первичный преобразователь емкостного прибора представляет собой электрод, расположенный в вертикальной металлической трубке.

Емкость такого конденсатора зависит от уровня жидкости, так как при его изменении от нуля до максимума диэлектрическая проницаемость будет

изменяться от диэлектрической проницаемости воздуха до диэлектрической проницаемости жидкости.

Емкостной метод обеспечивает хорошую точность порядка 1,5 %, имеет те же ограничения, что и поплавковый – среда не должна налипать и образовывать отложения на чувствительном элементе.

Принцип действия емкостных уровнемеров основан на различии диэлектрической проницаемости контролируемой среды (водных растворов солей, кислот, щелочей) и диэлектрической проницаемости воздуха либо водяных паров.

Кондуктометрический

Кондуктометрические датчики уровня применяют для контроля одного или нескольких предельных уровней жидкости, проводящей электрический ток. Действие кондуктометрического (омического) уровнемера основано на измерении сопротивления между электродами, помещенными в измеряемую среду.

Кондуктометрические уровнемеры (уровнемеры сопротивления) применяются для измерения уровня проводящих жидкостей (более 0,2 См/м): растворы щелочей и кислот, расплавленные металлы, вода, водные растворы солей, молоко и сыпучие материалы с удельной проводимостью более 1 мкС/см.

Первичный преобразователь кондуктометрического уровнемера представляет собой два электрода, глубина погружения которых в жидкость и определяет текущее значение ее уровня, причем одним из электродов может быть стенка резервуара или аппарата.

Основные факторы, ограничивающие точность кондуктометрических уровнемеров – непостоянство площадей поперечных сечений электродов, а также образование на электродах пленки (окисла или соли) с высоким удельным сопротивлением, что приводит к резкому снижению чувствительности датчика.

Кроме того, на точность кондуктометрических уровнемеров существенное влияние оказывает изменение электропроводности рабочей жидкости, поляризация среды вблизи электродов.

 

Рисунок 1.1 Визуальные уровнемер

 

Рисунок 1.2 Поплавковые уровнемеры

 

Рисунок 1.3 Гидростатические уровнемеры

Рисунок 1.4 Ультразвуковые уровнемеры

Выводы

 

1. Было раскрыто и изучено значение уровнемера, а также рассмотрены основные методы его применения.

2. Были рассмотрены основные виды уровнемеров, их технические характеристик и конструктивные особенности, а также достоинства и недостатки.

 

2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА

2.1 Выбор схемы сигнализаторов уровня воды

Существует множество вариантов выполнения схемы сигнализатора уровня воды. Это зависит главным образом от вида сигнализатора особенности его схемы, а также деталей используемых в этой схеме.

Для сравнения рассмотрим несколько схем, используемых для построения сигнализатора уровня воды.

В схеме на (рис. 2.1) представлена самая простая схема. Поскольку из активных элементов лишь одна логическая микросхема, остальные элементы все пассивны, к тому же схема абсолютно не требует никакой наладки, поскольку это «логика» в чистом виде. А все номиналы элементов каждого из шести каналов при каждом логическом элементе одинаковы, так что требуется просто подключить вход и выход каждого и повторить это шесть раз. Далее понятно: контакт 7 общий, а 1-6 это уровни, каждый их них можно расположить на нужной высоте непосредственно в емкости для световой индикации. Светодиоды можно расположить в ряд (либо на другой манер), которые и будут индицировать уровень жидкости в наполняемой емкости: светится от 1 до 2 штук одновременно. При желании можно конечно же применить светодиоды разных цветов.

Разумеется, при сегодняшнем обилии светодиодов, можете применить любые, которые вас устроят. Возможно, для подгона рабочего тока для них, потребуется подбор резистора R13.

Далее была рассмотрена схема основа на логической микросхеме К561ЛЕ5 она состоит из четырех элементов логики 2ИЛИ-НЕ. Собрав и используя данную схему, можно либо наполнять, либо опустошать необходимый резервуар водой. Для передачи исполнения включения/выключения насоса добавлен лишь транзистор и реле.

В качестве датчиков используются два прута — длинный и короткий. Длинный – для минимального уровня, короткий – для максимального уровня воды.

Принцип схемы: При соприкосновении воды одновременно с длинным, а также с коротким датчиком, логический уровень на выводах 9 и 1,2 микросхемы DD1 изменяется с высокого на низкий, чем вызывает изменение режима насоса.

При уровне воды ниже обоих датчиков, в микросхеме DD1 на выводе 10 — логический ноль. При повышении уровня воды, даже при соприкосновении воды с длинным датчиком — на выводе 10, также логический ноль. Но при достижении уровня воды короткого датчика, на 10-м выводе появится логическая единица, тогда транзистор VT1 включает реле, а оно — управление насосом, который начинает откачивать воду из резервуара.

Уровень воды начинает уменьшаться, короткий стержень не контактирует с водой, но на выводе 10 все же остается логическая единица, поэтому насос продолжает работать. По достижении уровня воды ниже длинного стержня, на выводе 10 уже появится логический ноль, тогда насос остановит работу.

Переключатель S1 позволяет переключить всю логику схемы и, соответственно, работу насоса на обратную (рис.2.2).

Также была рассмотрена схема представленная на (рис 2.3) Сигнализатор дает знать, когда вода достигнет заданного уровня. Состоит из генератора, выполненного на микросхеме D1, усилителя мощности на транзисторе V3 и электронного ключа на транзисторах V1, V2. Датчик, подключаемый к разъему Х1, состоит из двух металлических штырей, укрепленных на планке из изоляционного материала на расстоянии 20...30мм друг от друга. Питание на автомат подается через штырьки 1, 3 разъема датчика.
Когда вода достигнет датчика, сопротивление между его штырями станет сравнительно небольшим и достаточным для открывания транзисторов V1, V2 ключа. Через них на усилитель мощности поступит напряжение питания и в динамической головке И1 раздастся звук.
Чувствительность автомата высокая - он срабатывает уже при сопротивлении между штырями датчика 500 кОм. Это необходимо для контроля уровня другой жидкости, обладающей большим сопротивлением, чем вода.
Микросхему К155ЛА1 можно заменить на К155ЛА3, использовав только два ее элемента. Но в этом случае придется подобрать резистор R4 (уменьшить его сопротивление почти вдвое), чтобы напряжение между выводами 7 и 14 микросхемы составило примерно 5В. Вместо транзисторов КТ315А подойдут другие кремниевые транзисторы структуры n-p-n со статическим коэффициентом передачи тока более 20. Вместо транзистора КТ807А можно установить КТ807Б. Динамическая головка В1 - 0,1ГД-6 или другая малогабаритная мощностью до 0,25Вт и сопротивлением звуковой катушки постоянному току 6...10Ом.
Питается сигнализатор от источника напряжением 9В. Потребляемый им ток в режиме ожидания не превышает 10мА.

Ещё одной рассмотренной схемой стала схема реализованная на двух транзисторах BS547.

Номинальное напряжение питания: 6,0…15,0 В.

Ток нагрузки: 75 мА.

Размер печатной платы: 30х45 мм.

Датчик представляет собой простейший усилитель постоянного тока, выполненный на составном транзисторе (VT1, VT2). Построечный резистор R1 позволяет установить необходимую чувствительность датчика. Резистор R2 и конденсатор C1 снижают вероятность ложного срабатывания. Диод VD2 защищает транзисторы VT1, VT2 при применении дополнительного электромагнитного реле, для подключения которого используются контакты 1, 7. Напряжение срабатывания реле должно равняться: U пит минус 2 В, а максимальный ток через обмотку коммутатора – не более 75 мА. Индикацию включения исполнительного устройства обеспечивает светодиод VD1(рис.2.4).
Изучив вышеперечисленные схемы, мы пришли к выводу в необходимости произвести сборку схемы представленной на рисунке 2.4. Сигнализатор воды, собранный по данной схеме позволит определять уровень воды.

 

2.2. Описание элементной базы устройства.

Для реализации схемы регулятора мощности необходимы элементы представленные в таблице 2.2

Таблица 2.2

Позиция	Наименование	Примечание	Кол.
R1	220 кОм	Подстроечный резистор
R2, R5, R6	10 кОм	Коричневый, черный, оранжевый
R7	1,2 кОм	Коричневый, красный, красный
C1	470 мкФ/16...50 В	-
VT1, VT2	BC547	-
VD1	LED 5 мм,R	Светодиод красный
VD2	1N4001	Замена 1N4001...1N4007

 

Конденса́тор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать») — двухполюсник с определённым или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Конденсатор является пассивным электронным компонентом. В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свёрнутые в цилиндр или параллелепипед со скруглёнными четырьмя рёбрами (рис. 2.5).

Резистор (сопротивление) – пассивный элемент электрической цепи, характеризуемый сопротивлением электрическому току.
Применяются резисторы чаще, чем любые другие элементы электроники. Они обеспечивают режим смещения транзисторов в усилительных каскадах, позволяют контролировать и регулировать значения токов и напряжений в различных электрических цепях.
Единица измерения сопротивления – Ом. Как и для многих физических величин имеются приставки в сторону увеличения: кило – килоом (тысяча Ом), мега – мегаом (миллион Ом) (рис. 2.6).

Подстро́ечный рези́стор — переменный резистор, предназначенный для тонкой настройки радиоэлектронного устройства в процессе его монтажа или ремонта. Эти компоненты устанавливаются внутри корпуса устройства и недоступны для пользователя при нормальной эксплуатации (рис. 2.7).

Дио́д (от др.-греч. — два и -од — от окончания -од термина электрод; букв. «двухэлектродный»; корень -од происходит от др.-греч. «путь») — электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического поля. Электроддиода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу — катодом (рис. 2.8).

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД; англ. light-emitting diode, LED) —полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра. Иными словами, его кристалл изначально излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, где нужный цвет можно получить лишь применением внешнего светофильтра. Диапазон излучения светодиода во многом зависит от химического состава использованных полупроводников.

При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда —электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).

Диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников (например, кремния, германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. Советский жёлтый светодиод КЛ 101 на основе карбида кремния выпускался ещё в 70-х годах, однако имел очень низкую яркость. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов (рис. 2.9).

Транзи́стор (англ. transistor), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора - изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

В полевых и биполярных транзисторах управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.). В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторы (БТ) (международный термин — BJT, bipolar junction transistor). Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми

(рис. 2.10).

Печатная плата (ПП) – изделие, состоящее из плоского изоляционно­го основания с отверстиями, пазами, вырезами и системой токопроводящих полосок металла (проводников), которое используют для установки и коммутации электро радио изделия (ЭРИ) и функциональных узлов в соответствии с электрической принципиальной схемой.

Конфигурация проводникового и (или) диэлектрического материала на печатной плате.

Проводящий рисунок – конфигурация проводящего материала. Проводящий рисунок ПП должен быть четким, с ровными краями, без вздутий, протравливания, разрывов, отслоений, следов инструмента и остатков технологических материалов. Для повышения коррозионной стойкости на поверхность проводящего рисунка наносят электро­литическое, химическое или органическое покрытие, которое должно быть сплошным, без разрывов и отслоений.

Маркировка ПП – совокупность знаков и символов на ПП, необходимая для ее идентификации и контроля.

Крепежные отверстия – отверстия для крепления ПП в Модулях более

высокого конструктивного уровня (панелях, блоках).

Монтажные отверстия – отверстия для установки и пайки ЭРИ. На внутреннюю поверхность металлизированных монтажных отверстий наносят медное покрытие толщиной не менее 25 мкм и покрытие для обеспечения паяемой, которые должны быть сплошными, без пор и включений, пластичными, с мелкокристаллической структурой, быть прочно сцепленными с 9 диэлектриком, иметь определенное сопротивление, выдерживать токовую нагрузку 250 А/мм² в течение 3 с при нагрузке на контакты.

Печатный монтаж – способ монтажа, при котором электрическое соединение ЭРИ, экранов, функциональных узлов между собой выполнено с помощью элементов печатного рисунка: проводников, контактных площадок и т. п. по ГОСТ 23751–86. Печатные платы широко применяются в бытовой технике, аппаратуре, вычислительной технике, в промышленности (рис. 2.11).

В качестве материала основания ПП применяться слоистый диэлектрик с одной или с двух сторон фольгированный медной фольгой, или не фольгированные диэлектрики.

Наиболее распространенные марки фольгированных диэлектриков следующие: ГФ-1-35, ГФ-1-50, ГФ-2-50, СФ-1-35, СФ-1-50, СФ-2-35, СФ-2-50, где первые две буквы означают вид диэлектрика, первая цифра говорит о том односторонний или двусторонний фольгированный диэлектрик, следующие две цифры указывают на толщину фольги в микрометрах (рис. 2.12).