Измеритель толщины льда

Введение 11
Глава 1. Обзор литературы 15
1.1 Методы измерения толщины ледяного покрова 15
1.2 Методы измерения времени распространения звука 18
1.3 Источники ультразвуковых колебаний 19
1.4 Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи 24
1.5 Микроконтроллер STM32F4 27
Глава 2. Разработка структурной и принципиальной схем измерителя толщины льда 31
2.1. Принцип работы толщиномера льда 31
2.2. Выбор и обоснование структурной схемы 34
2.3. Выбор и обоснование принципиальной схемы 35
2.3.1 Схема излучателя ультразвукового сигнала 35
2.3.2. Вспомогательный источник питания 38
2.3.3. Схема приемника ультразвукового сигнала 42
2.3.4. Система управления 45
Глава 3. Разработка алгоритма работы микроконтроллера 47
3.1. Генератор импульсов 47
3.2. Автоматическая подстройка частоты 48
3.3. Измерение скорости нарастания льда 49
Глава 4. Финансовый менеджмент ресурсоэффективность и
ресурсосбережение 52
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 52
4.1.1. Потенциальные потребители результатов исследования 52
4.1.2. Анализ конкурентных технических решений 53
4.1.3. SWOT - анализ 55
4.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации 58
4.2. Инициация проекта 60
4.2.1. Цели и результат проекта 60
4.2.2. Цели и результат проекта 61
4.3. Планирование управления научно-техническим проектом 63
4.3.1. План проекта 63
4.3.2.. Бюджет НТИ 66
4.3.2.1. Сырье, материалы, покупные изделия 66
4.3.2.2. Специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 66
4.3.2.3. Основная заработная плата 67
4.3.2.4. Дополнительная заработная плата персонала 69
4.3.2.5. Отчисления на социальные нужды 70
4.3.2.6. Научные и производственные командировки 70
4.3.2.7. Накладные расходы 71
4.3.3. Реестр рисков проекта 71
4.4. Оценка сравнительной эффективности исследования 71
Глава 5. Социальная ответственность 75
5.1 Производственная безопасность 75
5.1.1 Электробезопасность 76
5.1.2 Термическое травмирование 77
5.1.3 Электромагнитное излучение (ЭМИ) 77
5.1.4 Освещенность рабочей зоны 79
5.1.5 Умственное перенапряжение. Статические перегрузки 80
5.1.6 Движущиеся машины и механизмы производственного
оборудования 81
5.1.7 Повышенный уровень ультразвука 83
5.2 Охрана окружающей среды 85
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 85
5.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности 87
5.4.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства 87
5.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 88
Заключение 90
Список публикаций 91
Перечень использованных источников 92
Приложение П 94
Приложение 1 109
Приложение 2 111

Купить

Актуальность работы
При изучении углеродного цикла во внутренних водоемах в зимний период была замечена связь между эмиссией метана и углекислого газа из озера в атмосферу с образованием и вертикальными перемещениями ледового покрова. Вероятно, ледообразование, которое изменяет химический состав воды у нижней стенки, а также то, что при шевелении льда в его структуре образуются поры, сказывается на газообмене между озером и атмосферой.
Для задач, стоящих перед исследователями гидрологических процессов в прибрежной зоне водоемов требуется учитывать состояние ледового покрова, в том числе и детерминирование моментов образования и схода ледового покрова. Были замечены изменения в устоявшихся суточных и сезонных биологических и физико-химических ритмах в озерах при подвижках льда, которые, по сути, являются спонтанными явлениями. Однако до настоящего времени не существовало возможности зарегистрировать и описать колебания ледового слоя.
Цель работы
Целью работы является создание регистрирующей аппаратуры, способной регистрировать: момент образования и схода ледового покрова; величину его прироста; вертикальные перемещения.
Для реализации поставленной задачи целесообразно применить метод УЗ эхозондирования, при этом зафиксировать УЗ излучатель и приемник регистрирующей аппаратуры на дне водоема, направив их вверх к границе раздела "вода-лед". Преимущества такого подхода заключаются в следующем:
1. Прибор может находиться на дне круглый год, в отличии от установки прибора на поверхности льда, когда прибор можно установить только на установившийся и окрепший лед.
2. При поверхностной установке прибор от нагрева вытапливает под собой часть льда и находится частично в воде. В данном случае, передатчик плохо передаёт энергию ультразвукового сигнала в лед.
3. Так же, измерение расстояния от дна водоема до нижней границы льда позволяет исключить погрешности из -за искажений и переотражений, связанных с сильным температурным градиентом и дефектами(пустоты, трещины) по толщине льда.
Недостатком является возникающая необходимость герметичного исполнения конструкции, способной выдерживать соответствующие давления. В нашем случае глубина установки не превышает 5 метров, т.е. превышение давления составит около 0.5 атм. В этом случае, герметизации электронной части можно добиться, не прибегая к дорогостоящим технологиям и материалам.
Научная новизна
Впервые разработан прибор, способный регистрировать моменты становления и схода ледового покрова, при этом измерять колебания ледового слоя, выделяя прирост льда и вертикальные перемещения.
Апробация результатов работы
Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на конференции «Неразрушающий контроль: сборник трудов VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых “Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность”».
Структура и краткое содержание работ литературы, состоящего из 12 ссылок.
Во введении обсуждается актуальность работы, сформулирована цель, задачи исследования. Отмечаются научная новизна и практическая значимость, приводится краткое содержание работ.
В первой главе проведен литературный обзор по теме исследования. Кратко рассматриваются методы измерения толщины льда. Проведен обзор традиционных методов измерения времени распространения звука, а так же были рассмотрены источники ультразвуковых колебаний, в частности ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи.
Во второй главе описывается применяемый мной подход измерения, который удовлетворяет поставленным требования, приводится структурная схема и компонентный состав устройства. Здесь же представлены схематические решения составных узлов устройства с выбором и расчетом элементной базы, которые применены и испытаны во время макетирования.
В третьей главе обсуждаются распределения программно-аналитических задач между вычислительными системами, а именно задачи съема, пересчета, фильтрации, переработки и сохранения данных. Приведен алгоритм работы всех вычислительных узлов устройства.
В четвертой главе проводится анализ значимости работы, оценка коммерческого и инновационного потенциала разработки, разрабатывается план проекта и расчет бюджета научного исследования, оценивается сравнительная эффективность исследований.
В пятой главе проводится анализ решений по теме диссертации на предмет возникновения вредных и опасных проявлений факторов производственной среды, предложены средства защиты. При анализе было обнаружено, что прибор не оказывает негативное влияние на окружающую среду. Приводятся меры по предупреждению наиболее типичной чрезвычайной ситуации.
В заключении сформулированы основные выводы работы.

Купить