Дипломдық жұмыс: Аспап жасау | Ылғалдықты өлшеу бойынша сандық аспаптардың зерттелуін әзірлеу

Мазмұны

Кіріспе
Техникалық тапсырманы анализдеу
Ылғалдылық түсінігін анализдеу және оны өлшеу әдістерін таңдау
Масс-сезімтал пьезорезонансты датчиктер
Есептік-cхемотехникалық бөлім
Құрылымдық сұлбаны құрастыру
Функционалды сұлбаны құрастыру
Электрлік сұлбаны құрастыру
Материал таңдаудың түсіндірмесі
Пленкалық элементтердің сандық есептелуі
Элементтерді орналастыру
Дестабилизациялаушы факторлардың әсерден интегралды микросұлбаны қорғайтын конструктивті шаралар
Программалық қамтамасыз ету
Құрылғының құрылымдық сұлбасы
Программаның орындалуы
Техника экономикалық незіздеу
Программалық жабдықтау мен жүйені автоматтандыруға кеткен шығындарды есептеудің бірінші нұсқасы
Программалық жабдықтау мен жүйені автоматтандыруға кеткен шығындарды есептеудің екінші нұсқасы
Өнімнің өзіндік құнын, ЕАҚ, әлеуметтік салық, зейнетақы аударылымдарын есептеу
Өміртіршілік қауіпсіздігі және еңбекті қорғау
Теориялық бөлім
Ылғалдылықты өлшеуге арналған аспапты әзірлеу
Қорытынды
Әдебиеттер тізімі
А ҚОСЫМША
Кіріспе
Қазіргі таңда әртүрлі процесстерде ылғалдылықты реттеуге арналған
аспаптардың рөлі мен қызметі бәріне белгілі. Қазіргі кезде ғылым, техника
тіпті халықтық шаруашылық саласының ешбірінде ылғалдылықты реттеу
процессінің пайдаланылмауы мүмкін емес.
Бірақ ылғалдылықты реттеу қажеттілікті аспаптар нарығында аса
сенімді және қанағаттанарлық жағдайда емес. Көптеген халық
қолданысындағы аспаптар мен датчиктер қазіргі замандағы техниканың даму
дәрежесіне сай келмейді, сонымен қатар бағасы қымбат, пайдалануға
қолайсыз, көлемі өте үлкен.
Қазіргі даму кезеңінде бүкіл әлемде сонымен қатар біздің елде халық
қолданысындағы барлық салаға автоматтандыру мен компьютеризациялау
тенденциясы жүзеге асырылып, кең қолданысқа ие болып отыр. Осы кезекте
алдыңғы орындарға қазіргі кездегі өндірістік технологиялық процесстер ие.
Осыдан кейін газды ортаның ылғалдылығын
өлшеу процессінің автоматтандыру және де арнайы құрылғылар мен ЭЕМ-дің мәліметтерді
өндеу қажеттілігі туындайды.
Автоматты түрде реттеу болашақ өнімнің ылғалдылық деңгейін
анықтауға зор мүмкіндік береді. Мысалы, технологиялық процесстер мен
интегралды микросұлбалардың жұмыс істеу қабілеті: нашар
герметизациялану және микросұлба жасалынатын материалдан бөлінетін
заттары әсерінен, корпустың ішіндегі ылғалдылық деңгейіне тікелей
байланысты болады. Арнайы датчик микросхема корпусі ішіндегі
ылғалдылық дәрежесін анықтауға, жоғарғы дәлдікпен микросұлбаның жұмыс
істеу уақытын анықтап, уақытылы қателерін ескертіп істен шығуын
анықтауға мүмкіндік береді [1].
Осыған қарап автоматтандырылған кішігабаритті датчиктер мен
ылғалдылық дәрежесін өлшеуге арналған аспаптар газды ортада,
автоматтандыру саласының дамуына ықпал ететін негізгі баспалдақ болып
табылады және оның сапасы мен өнімділігін арттырады.
Бұл дипломдық жұмыстың мақсаты технологиялық ортада осы
айтылған кішігабаритті автоматтандырылған ылғалдылық дәрежесін
өлшейтін аспап түрін ойлап тауып, жүзеге асыру.
1 БӨЛІМ. Техникалық тапсырма анализі
Дипломдық жұмысты жасау барысында міндетті түрде газды ортада
ылғалдылық дәрежесін өлшеп, ГИС (Гибридтті интегралды сұлба) негізінде
өлшеу модулін құрастыру технологиясын, сұлбасын, конструкциясын жасау
әдісін жасап шығару қажет.
Келесі тапсырмаларды орындау қажет:
— «ылғалдылық » ұғымын анықтау;
— өлшеу әдісін таңдау;
— датчикті таңдау;
— өлшеуштін бірқалыпты сұлбасын жасап шығару;
— зерттеу нәтижиесін сұлбамен;
— ГИС үшін материалдарды таңдау;
— ГИС технологиясы мен әдісін талдау;
— Өлшеуіштің тәжірибе жасау әдісін талдау;
— ГИС элементтерін есептеу;
— ГИС конструкциясын құрастыру;
— Қолайсыз факторлардан қорғау әдісін құрастыру;
— ГИС сенімділігін анықтау;
— Жүйелік график құрастырып, экономикалық көрсеткіштерді есептеу;
Өлшеуіш 5…40С температура диапозонында жұмыс жасайды.
Ылғалдылық диапозоны 10…100%.
Ылғалдылықты өлшеу қателігі 5 % аспау қажет [1].
1.1 Ылғалдылық түсінігі анализі, және оны өлшеу әдісін таңдау
Ауаның ылғалдылығы атмосфераның күйін сипаттайтын ең негізгі
факторлардың бірі болып табылады. Ылғалдылық адамның өмір сүру
ортасының қолайлылығын анықтайды сондықтан экологиялық
басқармалармен қадағаланады. Ылғалдылық көптеген мекемелердің жұмыс
жасауына әсер етеді. Ылғалдылық технологиялық процесстердің орындалуын
анықтайды. Жалпы ылғалдылық туралы ақпаратсыз біздің өмірде мүмкін
емес. Осы сипаттамалар бірінші кезекте ылғалдылық күйі мен кқұрамы
бойынша бөлінеді.
Ылғалдылық құрамы су б уының атмосфералық ауадан ешайырмашылығы жоқ сипаттамасы.
Ылғалдылық құрамына мына сипаттамалар кіреді:
— абсолют ылғалдылық — ылғалдылық массасы, г/м3 шамасымен өлшенеді
— парциалдық қысым — су буына келетін ауа қысымының бөлігі,
миллибармен өлшенеді;
— көлемдік концентрация — су буына келетін газ көлемінің бір бөлігі,
өлшем бірлігі (ррm);
— шық нүктесі — температура, нақты абсолюттік ылғалдылық кезіндегі
сұйық фазаның құлауы, өлшем бірлігі Кельвин;
— молярлық концентрация — газ қоспасындағы мольдің су құрамындағы
мольдерге қатынасы.
Осы айтылған ылғалдылық кұрамының сипаттамалары бір-бірімен су
буы болып табылатын идеалды емес газ күйі бойынша байланысады.
Ылғалдылық күйі — бір температурада атмосферадағы су буының күйін
анықтайтын сипаттама. Бұл сипаттама атмосфера компоненттері үшін тек
ылғалдылық үшін қолданылады. Бұл практикалық тапсырманың көптігімен
сонымен қатар ауада қаншалықты ылғал мөлшері бар және қаншалықты
мөлшері буланатындығымен сипатталады.
Ылғалдылық күйінің негізгі сипаттамасы салыстырмалы ылғалдылық,
яғни процентпен көрсетілген абсолют ылғалдылықа қатынасы.
Сонымен қатар ылғалдылық күйінің негізгі сипаттамасы ретінде
парциалдық қысымды, шық нүктесін жатқызамыз.
«Ауаның ылғалдылығы» ауадағы су буының мөлшері, ауа райы мен
климаттың ең маңызды сипаттамаларының бірі. Газдың ылғалдылығын
ондағы ылғалдылық құрамы мен ылғалдылық күйімен анықтайды.
Газды ортада «газ ылғалдылығы» түсінігі өлшеу кезінде туындаған
ылғал мөлшеріне сәйкес екі түрге бөлінеді:
Біріншісі – Ылғал құрамы: ылғал газды қоспа ретінде бағалау сапасы,
мұндағы негізгі компонент су болып табылады;
Екіншісі – Ылғалдылық күйі: Ылғал газ құрамында болатын судың
буланынуының термодинамикалық күйін бағалау.
Осы айтылған ылғалдылықтың екі түрі газды ортада газ және бу ретінде
қарастыруға болады [1,2].
Бірінші жағдайда, негізгі өлшеу обьектісі газ тектес судан және құрғақ
газдан тұратын қарапайым бинарлы газды қоспа яғни ылғал газ, ал есептеудің
негізгі мақсаты ылғалдың массасын, молярлық және көлемдік
концентрациясын анықтау. Сондықтан анализ жасалынып отырған ортадан
екі негізгі компонент: ылғал мен құрғақ газды бөліп алу болып табылады.
Екінші жағдайда, өлшеу обьектісі ылғал газ емес, ондағы газ. Өлшеудегі
негізгі мақсат теомодинамикалық жағдайдағы су буының салыстырмалы
ылғалдылығын анықтау.
Әрбір өлшеу түрлерінің бірнеше әдістері бар. Бұл жұмыста ылғалдылық
көлемін өлшейтін сорбционды-жиіліктік әдіс пайдаланылды.
Сорбционды-жиіліктік әдіс пьезоквартцтық пластинаның өзіндік
ауытқуларына сәйкес, анализденген ортада анықталған ылғалды газ буы мен
оның бетіне жиналған сорбент сұйықтығы қанықтығының гидродинамикалық
тепе-теңдігіне сәйкес жасалынған. Бұл әдіс пьезоквартцтық пластинаның
өзіндік ауытқуларына сәйкес, адсорбталу кезінде пластинаның бетіне бөлініп
шығатын ылғал мөлшері массасының өзгеруіне өте жоғары дәлдікпен ылғал
дәрежесін өлшеу, реттеуге мүмкіндік береді.
Яғни бұл жұмыста датчик
ретінде масс-сезімталды пьезорезонансты датчик алынды.
1.2 Масс-сезімталды пьезорезонансты датчиктер
Масс-сезімталды пьезорезонансты датчиктер қазіргі таңда өндірістік
және ғылыми зертеулерде технологиялық құрылғыға орналастырылып
қоршаған орта параметрі мен микроклиматты реттеу үшін кеңінен
қолданылады. Себебі бұл датчиктердің өлшеу дәлдігі басқалармен
салыстырғанда әлдеқайда жоғары болып келеді.
Масс-сезімталды пьезорезонансты резонаторлар
жұқа пластинадан немесе температураға
тәуелді емес кварц линзасынан жасалынады. Резонаторларда қалыңдығы
бойынша ауытқулар желігеді. Жалғанып тұрған масса электродқа да
резонатор перифириясына да пластинанаң екі бетінен де жүргізіледі.
Массаның өсуі, яғни заттың сорбциялануы әртүрлі болуы мүмкін және қайта
алушы немесе қайта беруші қасиетке ие болады. Мысалы технология
процессті өңдеу кезінде шаң басудан қорғау үшін, шаң басылған пленка
бетіне пьезорезонатор-қалыңдық өлшегіш (толщинометр) орналастырылып,
ондағы пленка бетіне жиналатын шаңның қалыңдығын анықтап, реттеп
отырады. Гигрометрлерде және газоанализаторларда, пьезорезонаторлар
зерттелетін затты өз күйінде сақтайды. Демек гигрометрдің өлшегіш
резонаторы қалыңдығы пленкасымен қапталады.
(310-7 мкм) жұқа тотықтандырылған кремний
Өлшеу жүргізілігеннен кейін резонатор
«құрғатылып», яғни заттардың десорбциялану процесі жүзеге асырылады.
Жиіліктің h` қалыңдық пен жалғанып түрған материалдың` тығыздығы
мына формуламен анықталады: f/f = -`h`/(h) (1.1), мұндағы мен h –пьезоэлементтің тығыздығы мен қалыңдығы.
Егер анықтап қарасақ, зерттеліп отырған заттар дискилік резонатордың
барлық бетімен сорбцияланады, демек мына формула алынады:
f/f = -m/m (1.2),
мұндағы m – резонатор массасы [2].
Бізге белгілі болғандай массаның салыстырмалы өсуі, жиіліктің
салыстырмалы өсуімен байланысты болуы мүмкін яғни 10-6-10-7 . Қалыңдығы
h = 0,1 мм болатын кварцтық резонаторларда минималды тіркелген беттің
бірлік массасыm = (10-610-7)h = (10-610-7) 2,65×0,01 = 2,65 (10-810-9)
г/см2 болады. Бірақ жоғары рұқсат етілген қабілет тек0,1С дәрежесіндегі
резонатор термотұрақтылығында жүзеге асады,
өйткені мұндай АТ- қиылысуындағы резонаторлар нақты тура сан шамамен 2×10-6 К-1 тең.
Максималды жалғанатын масса 2×10-3 г/см2 аспау керек және пленканың
қалыңдығы да 1 – 2 мкм-ден аспау керек, асып кеткен жағдайда резонатордың
жұмыс істеу қабілеті төмендеп, өлшеу қателігінің тұрақсыздығына әкеліп соғады.
Бұл жұмыста температураға тәуелді емес (SiO) кремний оксидінің жұқа
қабатымен қапталған кварцтық резонатор қолданылады. Ол датчиктің негізгі
бөлігі болып табылады және ондағы жинақталған ақпарат сәйкес
құрылғылармен түрлендіріліп, анализден өтуі керек.

2 БӨЛІМ. Есептік-схемотехникалық бөлім
2.1 Құрылымдық сұлбаны құрастыру
Әзірленетін құрылғы пьезодатчиктен келіп түсетін, мәліметтерді
өңдеуге арналған. Бұл кварц орналасқан, ылғалдылық дәрежесін анықтайтын,
пластина бетінде адсорбталатын судың массасына сәйкес өзіндік кварцтық
жиіліктің ауытқуының өзгеруін анықтайтын мәліметтер болып табылады.
Өзіндік жиіліктің әртүрлі ауытқуына сәйкес ортаның ылғалдылық күйі
туралы айтуға болады. Бұл өзгерістерді ескеру үшін, кварцтық генераторға
мәлімет беретін элемент ретінде кварцтық пластинаны қолдануға болады.
Бұл пластинаның өзіндік жиілігінің ауытқуының генератор жиілігінің
ауытқуына мүмкіндік береді. Ары қарай генератор жиілігінің өзгеруін
бақылап яғни, құрғақ және ылғал ортадағы квартық генератордың жиілігінің
өзгеруін есептеу қажет. Демек, жиілік белгілі уақытта импульс санына
пропорционал болғандықтан, квартық генератордың жиілігінің өзгеруі мен
белгілі бір импульс санын есептегенде олардың әртүрлі уақыт нәтижелерін
аламыз. Сондықтан импульсты жинақтау үшін программалайтын бөлгіш
орнатамыз. Бөлгіш микропроцессормен басқарылады. Есептеудің басында ол
микропроцессор сигналымен бастапқы қалыпқа келеді. Бөлгіште импульс
жиналған кезде микропроцессор таймер бойынша уақытты бақылайды, содан
соң бөлгіш шығыс сигналды реттегеннен кейін ғана процессорге сигнал келіп
жинақталу уақытын белгілейді. Ары қарай тіректік және нақты уақыттың
жинақталуының әртүрлілігіне қарай белгілі бір газды ортадағы ылғалдылық
дәрежесі туралы айтуға болады. Арнайы техникалық есептеулерді талдай
отырып құрылымдық сұлба жасалынды, ол 2.1 суретте көрсетілген [2]……