Автоматическая система контроля и управления заполнением резервуаров

• Введение
• 1. Обзор и сравнительный анализ методов измерения уровня
• 1.1 Емкостные уровнемеры
• 1.2 Поплавковые и буйковые уровнемеры
• 1.3 Уровнемеры с визуальным отсчетом
• 1.4 Акустические уровнемеры
• 1.5 Гидростатические уровнемеры
• 1.6 Индуктивные уровнемеры
• 2. Выбор структурной схемы
• 3. Разработка и расчет узлов принципиальной схемы
• 3.1 Расчет генератора треугольного напряжения
• 3.2 Расчет датчика и усилителя
• 3.3 Расчет выпрямителя
• 3.4 Расчет фильтра
• 3.5 Модуль аналого-цифрового преобразователя
• 3.7 Модуль микроконтроллера
• 3.8 Модуль внешней памяти команд
• 3.9 Модуль последовательного интерфейса RS-232C
• 3.10 Модуль клавиатуры и дисплея
• 3.11 Модуль счетчика времени
• 3.12 Расчет генератора тактовых импульсов
• 3.13 Расчет распределителя импульсов и коммутаторов
• 3.14 Расчет устройства сравнения
• 3.15 Расчет световой и звуковой индикации
• 3.16 Расчет схемы запуска и управления насосом
• 3.17 Расчет блока питания
• 4. Разработка программного обеспечения
• 4.1 Разработка алгоритма программы для микроконтроллера
• 4.2 Разработка алгоритма программы для внешней ПЭВМ
• 5.Технико-экономическое обоснование проекта
• 5.1 Определение трудоемкости работ по НИР и ОКР
• 5.2 Расчет затрат на НИР и ОКР
• 5.3 Расчет эксплуатационных расходов
• 5.4 Расчет эксплуатационных расходов аналога
• 5.5 Технико-экономические показатели
• 6. Охрана труда и техника безопасности
• 6.1 Основные меры безопасности при обслуживании действующих электроустановок
• 6.2 Технические и организационные мероприятия, обеспечивающие безопасность работ в действующих ЭУ
• Заключение
• Список использованной литературы
• Приложения

Бурное развитие компьютерных технологий в последние десятилетия привело к тому, что уже, наверное, ни одна область человеческой жизни не обходится без компьютерной техники. Медицина, сельское хозяйство, производство, сфера обслуживания, наука, образование, быт, военные технологии, экономика — везде микропроцессорная техника помогает человеку, позволяя более эффективно и экономично организовывать свой труд, экономить время. Компьютеры так плотно вошли в нашу жизнь, что мы уже порой и не замечаем, что во многих устройствах, окружающих нас, используются микрокомпьютеры: будь то цифровой телевизор, музыкальный центр, кухонный комбайн, пылесос или другое устройство.

Микроконтроллеры на базе ОЭВМ решают все более широкий и трудоемкий круг задач. При этом возрастает сложность разрабатываемых систем, а соответственно и программного обеспечения по управлению этими системами. На данном этапе развития технологий производства различных микросхем все большую часть в конечной стоимости всего проекта составляет разработка программного обеспечения для проектируемого устройства.

Использование микроэлектронных средств в различных изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров и т. д.) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть время «морального старения», но и придает им принципиально новые потребительские качества, расширяет функциональные возможности.

В последние годы в микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для «интеллектуализации» оборудования различного назначения. ОЭВМ представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллеров в системах различного назначения обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при низкой стоимости. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные ЭВМ.

На сегодняшний день имеется несколько десятков различных типов микропроцессорных наборов и однокристальных микроЭВМ, отличающихся разрядностью, системой команд, быстродействием, потребляемой мощностью, номиналами питания и т. д.

Одной из особенностей развития науки и техники нашего века является развитие электроники. Без электронных устройств ныне не может существовать ни одна отрасль промышленности, транспорта, связи. Усиленное развитие и применение электроники вызвано возросшими потребностями промышленности. Достижения электроники влияют не только на экономическое развитие нашего общества, но и на социальные процессы, распределение рабочей силы, образование, электронные устройства все шире применяются в быту.

Современный уровень развития энергетических и других промышленных установок характеризуется интенсификацией технологических процессов с использованием агрегатов большой мощности. Например, в теплоэнергетике единичные мощности возросли за 30 лет в десятки раз, а в атомной энергетике — в сотни раз. Примерно так же возросли скорости протекания технологических процессов, число измеряемых параметров на одном агрегате, которое в настоящее время исчисляется тысячами. Поэтому надёжность средств измерения и информационно-измерительных систем во многих случаях определяют надёжность агрегата в целом. Без достоверных значений параметров и автоматического контроля за этими значениями, в большинстве случаев нельзя управлять процессом или агрегатом, без средств измерения невозможна автоматизация. Особенно большое значение приобретают вопросы получения достоверных значений измеряемых параметров в связи с задачами комплексной автоматизации технологических процессов и более эффективного использования производственного потенциала. Решение этих задач требует анализа процессов и их технико-экономических показателей, а для этого нужны надёжные и точные средства измерения.

Уровень является одним из важных параметров в ряде технологических процессов. В химической промышленности измерение уровня составляет до 40% всех измерений. Условия измерения самые разнообразные — кипящие жидкости при высоких давлениях и температурах (барабаны энергоблоков, выпарные установки и др.), агрессивные жидкости (кислоты, щелочи, жидкий хлор и др.), неагрессивные жидкости в емкостях высотой 20 м и более.

Под измерением уровня понимается индикация положения раздела двух сред различной плотности относительно какой-либо горизонтальной плоскости, принятой за начало отсчета. Средства измерения уровня называют уровнемерами.

Измерение уровня — довольно распространенный измерительный процесс в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Иногда по результатам измерения уровня судят об объемном количестве вещества, содержащегося в резервуарах (баках, цистернах, танках и т. п.). Для этого используют либо мерные емкости постоянного (по высоте) поперечного сечения (например, мерные баки объемных расходомерных установок), либо специальные тарировочные таблицы, ставящие в соответствие каждому текущему значению уровня значение объема резервуара. В ряде отраслей промышленности, например, в химической и пищевой, в промышленности строительных материалов или в области подъемно-транспортной техники, к приборам для измерения уровня заполнения емкостей и сосудов или уровнемерам предъявляют различные требования. В ряде случаев требуется только сигнализация определенного предельного уровня; в других случаях необходимо непрерывное измерение уровня заполнения. При выборе уровнемера необходимо учитывать такие физические и химические свойства материала, как температура, абразивные свойства, вязкость, электрическая проводимость, радиоактивность, химическая агрессивность и т. д. Кроме того, следует принимать во внимание рабочие условия в резервуаре или около него: давление, вакуум, нагревание, охлаждение, способ заполнения или опорожнения (пневматический или механический) резервуара, наличие мешалки, огнеопасность и взрывоопасность.

Как и все средства измерений, уровнемеры состоят из совокупности измерительных преобразователей и вспомогательных устройств, необходимых для осуществления процесса измерения (устройств для линеаризации функций преобразования, отсчетных устройств и т. д.).

Первичный преобразователь (датчик) воспринимает измеряемую величину — уровень — и преобразует ее в выходной сигнал (электрический, пневматический, частотный), поступающий на последующие преобразователи, или в показания, отсчитываемые по шкале уровнемера.

Измерение уровня жидкости играет важную роль при автоматизации технологических процессов, особенно если поддержание уровня связано с условиями безопасной работы оборудования. Наибольшее распространение для измерения уровня жидкостей получили гидростатический и поплавковый методы измерения. Несколько меньше распространены буйковые и емкостные методы. Акустический, индуктивный, высокочастотный и другие методы получили ограниченное распространение. Очень широко распространены сигнализаторы и реле уровня, которые могут срабатывать с погрешностью в доли миллиметра при достижении уровнем жидкости чувствительного элемента.

За последние несколько лет происходило быстрое совершенствование средств измерения уровня. Внедрялись более надежные электронные системы, лишенные дрейфа. Одним из значительных факторов повышения воспроизводимости измерений является наличие элементов электроники, способных работать при высокой температуре, что позволяет устанавливать предварительный усилитель непосредственно на чувствительном элементе измерительного преобразователя уровня. Применение новых материалов и методов производства для изготовления чувствительных элементов, находящихся в контакте с измеряемой средой, способствовало значительному расширению области применения емкостных измерительных преобразователей уровня.

уровнемер контроль автоматический программный

1. Обзор и сравнительный анализ методов измерения уровня

Уровнемеры могут использоваться либо для контроля за отклонением уровня от номинального и в этом случае они имеют двустороннюю шкалу, либо для определения количества жидкости (в сочетании с известными размерами емкости) и в этом случае они имеют одностороннюю шкалу. В зависимости от условий измерения, свойств контролируемой среды используются различные методы измерения уровня. Если нет необходимости в дистанционной передаче показаний, уровень жидкости можно измерять уровнемерами с визуальным отсчетом (указательных стекол). При необходимости дистанционного измерения уровня используются более сложные уровнемеры: гидростатические (дифманометрические и барботажные), буйковые и поплавковые, емкостные, индуктивные, радиоизотопные, волновые, акустические, термокондуктометрические. Рассмотрим некоторые разновидности этих уровнемеров.

1.1 Емкостные уровнемеры

Емкостными называются уровнемеры, основанные на зависимости электрической емкости конденсаторного преобразователя, образованного одним или несколькими стержнями, цилиндрами или пластинами, частично введенными в жидкость, от уровня жидкости.

Обычные механические уровнемеры не позволяют производить непрерывные измерения, когда объектом измерения являются зернистые или порошкообразные материалы. Емкостный метод дает такую возможность. Давление или разрежение играет здесь подчиненную роль.

Емкостные уровнемеры можно использовать как для сигнализации предельных значений, так и для непрерывного измерения. Точность индикации составляет при наличии однородных материалов 0,5.2%. Данный метод измерения непригоден, однако, для измерения смеси жидкости с твердыми частицами, имеющими другую диэлектрическую проницаемость, так как эта величина должна оставаться постоянной. Его нельзя применять также в условиях колебания влагосодержания и изменения соотношения компонентов смеси.

Конструкция конденсаторных преобразователей различна для электропроводных инеэлектропроводных жидкостей.

Электропроводными считаются жидкости, имеющие удельное сопротивление р < 10^е Омм и диэлектрическую проницаемость е_ж > 7. Различие преобразователей состоит в том, что один из электродов уровнемеров для электропроводных жидкостей покрыт изоляционным слоем, электроды преобразователей для неэлектропроводных жидкостей не изолированы. Электроды могут быть в виде плоских пластин, стержней; в качестве электрода может использоваться металлическая стенка сосуда. Часто применяются цилиндрические электроды, обладающие по сравнению с другими формами электродов хорошей технологичностью, лучшей помехоустойчивостью и обеспечивающие большую жесткость конструкции. Взаимное расположение электродов зафиксировано проходным изолятором. Электроды образуют цилиндрический конденсатор, часть межэлектродного пространства которого высотой h заполнена контролируемой жидкостью, оставшаяся часть высотой (Н-h) — ее парами.

В общем виде, емкость цилиндрического конденсатора определяется выражением:

С=, (1.1)

где е₀ = 8,8510^-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума; е — относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего межэлектродное пространство; Н — высота электродов; d1, d2 — диаметры соответственно внутреннего и наружного электродов.

На основании (1.1) легко записать выражения для емкости С1 части преобразователя, находящейся в жидкости, и для емкости С2 части, находящейся в газовом пространстве:

С1=, С2=, (1.2)

где е_Ж, е _Г - относительные диэлектрические проницаемости жидкости и газа над ней.

Суммарное выходное сопротивление преобразователя Zпp кроме емкостей С1 и С2 определяется также емкостью Си проходного изолятора и его активным сопротивлением Rи, а также емкостью и проводимостью соединительного кабеля.

Суммарная емкость преобразователя:

Спр⁼ С1 +С2 +Си (1.3)

Емкость Си от значения h не зависит, кроме того, для газов е _r =1, поэтому

(1.4)

Таким образом, при е_ж=const емкость Спр однозначно зависит от измеряемого уровня h. В реальных условиях е_ж может изменяться (например, при изменении температуры жидкости, ее состава и т. д.).

Для уменьшения влияния изменения е_Ж на показания уровнемера обычно используется компенсационный конденсатор. Емкость компенсационного конденсатора используется в электронной схеме в качестве корректирующего сигнала.

Недостатком такой схемы введения поправки является увеличение не измеряемого уровня, обусловленного высотой h_K электродов компенсационного конденсатора. Следует отметить, что отрицательное влияние на работу емкостных уровнемеров оказывает активное сопротивление преобразователя. Оно слагается из активного сопротивления проходного изолятора и активного сопротивления контролируемой жидкости в межэлектродном пространстве (обычно значение последнего пренебрежимо мало). Для уменьшения влияния активного сопротивления преобразователя в схему уровнемера включается фазовый детектор. В конденсаторных преобразователях для электропроводных жидкостей один электрод выполняется изолированным. Если резервуар металлический, то его стенки могут быть использованы в качестве второго электрода. Если резервуар неметаллический, то в жидкость устанавливается металлический неизолированный стержень, выполняющий роль второго электрода.

В емкостных уровнемерах для измерения электрической емкости преобразователя используются 4 вида схем: резонансные, генераторные, «зарядно-разрядные» и мостовые методы переменного тока.

Рис. 1.1 Принципиальная схема электронного индикатора уровня ЭИУ

Наиболее простыми и точными являются мостовые схемы, примером которых может быть схема электронного индикатора уровня ЭИУ (Рис. 1.1.). Мост состоит из двух вторичных обмоток I и II трансформатора Тр (питаемого генератором Г), емкости преобразователя Спр и подстроечного конденсатора С. Мост уравновешен при нулевом уровне жидкости, при этом сигнал на входе и выходе усилителя равен нулю. При увеличении уровня емкость Спр растет, разбаланс моста увеличивается, и напряжение на входе усилителя возрастает. Усилителем этот сигнал усиливается, преобразуется в унифицированный и измеряется вторичным прибором ВП. Диапазоны измерения уровнемеров ЭИУ определяются типом преобразователя и могут изменяться от 1 до 20 м; предел допускаемой основной погрешности 2,5%.

Емкостные уровнемеры нашли широкое распространение из-за дешевизны, простоты обслуживания, удобства монтажа первичного преобразователя на резервуаре, отсутствия подвижных элементов, возможности использования в достаточно широком интервале температур (от криогенных до +200°С) и давлении (до 6 МПа), К числу недостатков их следует отнести непригодность для измерения уровня вязких (динамическая вязкость более 1 Па-с), пленкообразующих, кристаллизующихся и выпадающих в осадок жидкостей, а также высокую чувствительность к изменению электрических свойств жидкости и изменению емкости кабеля, соединяющего первичный преобразователь с измерительным прибором.

1.2 Поплавковые и буйковые уровнемеры

Поплавковым называется уровнемер, основанный на измерении положения поплавка, частично погружаемого в жидкость, причем степень погружения поплавка (осадка) при неизменной плотности жидкости неизменна. Об уровне судят по положению указателя, соединенного с поплавком гибкой (лента, трос) или жесткой механической связью. Поплавок перемещается вертикально вместе с уровнем жидкости, и, следовательно, по его положению может быть определено значение уровня. При движении поплавка на него действуют следующие силы: сила тяжести поплавка G, выталкивающая сила газовой и жидкой фаз, силы сопротивления Рс в подвижных элементах уровнемера. Поплавковые уровнемеры используются для измерения уровня в резервуарах при невысоком избыточном давлении, поэтому выталкивающей силой газовой фазы на поплавок можно пренебречь. В этом случае силы, действующие на поплавок, связаны соотношением

где V_Ж - объем погруженной части поплавка; р_Ж — плотность жидкости.

Сила сопротивления Рс направлена против движения поплавка и поэтому изменяет знак при изменении направления движения. Из последнего уравнения можно получить выражение:

(1.5)

Объем V_Ж однозначно определяет осадку (глубину погружения) поплавка. При изменении плотности контролируемой жидкости на Др_Ж изменяется объем погруженной части на ДV_Ж, что приводит к изменению осадки, т, е. к появлению дополнительной погрешности. Из (1.5) можно получить выражение для ДV_Ж в виде:

(1.6)

Таким образом, объем погруженной части V_Ж, а следовательно, осадка поплавка, является параметром, определяющим дополнительную погрешность, вызванную изменением плотности контролируемой жидкости. Для уменьшения этой погрешности целесообразно уменьшение осадки поплавка, что может быть достигнуто либо увеличением площади поперечного сечения поплавка, либо уменьшением сил Рс, либо облегчением поплавка.

Размеры поплавка ограничиваются размерами уровнемера, масса поплавка не может быть сильно уменьшена из-за необходимости обеспечения требуемого натяжения гибкого элемента и преодоления сил трения. Значение сил сопротивления определяется выбором схемы связи поплавка с измерительной схемой уровнемера.

Наибольшее распространение получили уровнемеры с механической связью поплавка с измерительной схемой, причем эта связь может быть образована как гибкими элементами (тросом, лентой), так и жесткими (рычагом, рейкой). Использование гибких элементов практически исключено в уровнемерах для сосудов под давлением из-за сложности герметизации выводов. Герметизация проще обеспечивается в рычажных уровнемерах, однако их недостатком является небольшой диапазон измерения — до нескольких десятков сантиметров (при гибкой связи диапазон измерения достигает 12 м).

Поплавковые уровнемеры обладают определенными достоинствами: простотой устройства, большим диапазоном измерения, достаточно высокой точностью, возможностью измерения уровня агрессивных и вязких сред, широким температурным диапазоном измерения. Недостатки, ограничивающие, их применение: наличие поплавка в резервуаре, трудности измерения уровня в резервуарах под давлением.

Буйковыми называются уровнемеры, основанные на законе Архимеда: зависимости выталкивающей силы, действующей на буек, от уровня жидкости. Чувствительным элементом таких уровнемеров является массивное тело (например, цилиндр.) — буек, подвешенное вертикально внутри сосуда и частично погруженное в контролируемую жидкость.

Буек закреплен на упругой подвеске с жесткостью с, действующей на буек с определенным усилием. При увеличении уровня на h от нулевого положения увеличится выталкивающая сила, что вызовет подъем буйка на х, причем при подъеме его увеличивается осадка, т. е. x

х_С = (h — x) p_ЖgF- (h-x) p_ГgF, (1.7)

где с — жесткость подвески; р_Ж, р_Г — плотность жидкости и газа; F — площадь поперечного сечения буйка.

Отсюда легко получить выражение для статической характеристики буйкового уровнемера:

(1.8)

Таким образом, статическая характеристика буйкового уровнемера линейна, причем чувствительность его может быть увеличена увеличением F или уменьшением жесткости подвески с.

Из (1.8) легко установить, что при использовании конкретного уровнемера дополнительные погрешности могут возникнуть за счет изменения величин с, F, р_Ж-р_Г. Причиной изменения этих величин является изменение температуры и давления в сосуде, при этом наибольшей является погрешность, вызванная изменением р_Ж-р_Г.

Буек подвешен на рычаге, закрепленном на призматической подушке, которая опирается на ножевую опору. К подушке жестко прикреплен конец торсионной трубки, второй конец которой посредством фланца жестко и герметично крепится на кронштейне, представляющем собой часть корпуса уровнемера. Таким образом, конец трубки неподвижен, другой конец может поворачиваться вместе с подушкой. Внутри трубки пропущен жесткий стержень, приваренный к подушке. На свободном конце стержня находится заслонка пневмопреобразователя. При изменении уровня происходит поворот подушки вместе с закрепленным на ней концом торсионной трубки, при этом изменяется усилие, с которым трубка воздействует на буек. Одновременно с поворотом подушки поворачивается заслонка, изменяется зазор между ней и соплом, что приводит к изменению давления на входе и выходе пневмоусилителя и изменению показаний измерительного прибора ИП.

Основная погрешность такого уровнемера колеблется в пределах 1−1,5%. Кроме описанной схемы буйкового уровнемера существуют другие разновидности. В частности, выпускаются уровнемеры УБ-Э и УБ-П соответственно с электрическим и пневматическим унифицированными выходными сигналами, основанные на принципе силовой компенсации. Эти преобразователи выпускаются классов 1 и 1,5 с диапазонами измерения 0−0,04 и 0−16 м. Существуют буйковые уровнемеры, в которых буек несет сердечник дифференциально-трансформаторного передающего преобразователя. Очевидно, что в таких уровнемерах максимальное перемещение буйка должно быть равно номинальному перемещению сердечника. Буйковые уровнемеры могут использоваться как для измерения уровня сжиженных газов с большой плотностью (азота, неона и др.), так и для контроля сред при давлении до 32 МПа и температуре до +400°С.

1.3 Уровнемеры с визуальным отсчетом

Такие уровнемеры основаны на визуальном измерении высоты уровня жидкости. При невысоких давлениях среды высота уровня измеряется в стеклянной трубке (указательном стекле), сообщающейся с жидкостным и газовым пространствами контролируемого резервуара. При повышенных давлениях применяются плоские стекла, на поверхности которых со стороны жидкости нанесены вертикальные граненые канавки. Из условий прочности не рекомендуется применять указательные стекла длиной более 0,5 м, поэтому при большом диапазоне изменения уровня устанавливается несколько стекол в шахматном порядке таким образом, чтобы их диапазоны измерения перекрывались.

Основным источником дополнительной погрешности таких уровнемеров является разница плотностей жидкости в контролируемом резервуаре и в стекле, вызываемая различием температур (особенно если жидкость в резервуаре находится при высокой температуре, а указательное стекло находится на значительном удалении). Различие плотностей приводит к различию уровней в резервуаре и указательном стекле (уровень в стекле иногда называют «весовым» уровнем); при этом абсолютная погрешность измерения может быть вычислена по формуле:

(1.9)

где p1 и p2 — плотности жидкости в резервуаре.

Погрешность может достигать существенных значений, поэтому с целью ее уменьшения необходима либо тепловая изоляция уровнемера, либо продувка его жидкостью из резервуара перед отсчетом.

1.4 Акустические уровнемеры

По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные.

В локационных уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость — газ. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела. В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа. В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от уровня жидкости.

Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры. Локация уровня может производиться либо через газовую среду над жидкостью (такие уровнемеры иногда называют акустическими), либо снизу через слой жидкости (такие уровнемеры иногда называют ультразвуковыми). Недостатком первого типа уровнемеров являются погрешность от зависимости скорости ультразвука от давления и температуры газа и сильное поглощение ультразвука газом, что требует большей мощности источника, чем при локации через жидкость. Однако на показаниях таких уровнемеров не сказывается изменение характеристик жидкости, поэтому такие уровнемеры могут быть использованы для измерения уровня жидкостей неоднородных, содержащих пузырьки газа или кристаллизующихся. Такие уровнемеры используются для жидкостей, имеющий температуру не более 80 °C и давлением не более 4 МПа.

Уровнемеры с локацией через жидкость могут быть использованы для сред под высоким давлением, для них требуется небольшая мощность источника, однако они чувствительны к включениям в жидкость, например к пузырькам газа при вскипании. Поэтому эти уровнемеры применимы только для однородных жидкостей. Кроме того, они также чувствительны к изменению температуры и давления среды из-за зависимости от них скорости распространения ультразвука в жидкости.

Источником и одновременно приемником отраженных ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент, заключенный в акустический преобразователь. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые возбуждаются пьезоэлементом путем подачи на него электрических импульсов от генератора. Одновременно генератор включает схему измерения времени. Отраженный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время t, соответствующее контролируемому уровню в соответствии с выражением:

(1.10)

где с - скорость ультразвука в газе.

Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в электрический сигнал, который усиливается усилителем и подается на схему измерения времени. Преобразователь преобразует значение времени в унифицированный выходной сигнал 0 — 5 мА, измеряемый вторичным прибором.

Для уменьшения влияния изменения температуры газа имеется блок температурной компенсации, включающий в себя термометр сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя. Уровнемер ЭХО-1 может иметь диапазоны измерения 0 — 1, 0 — 2, 0 — 3 м; класс точности уровнемера 2,5.

Разница может заключаться в ином способе температурной компенсации. Основная погрешность уровнемеров с локацией через жидкость не превышает 2,5% диапазона измерения уровня.

Кроме перечисленных существует еще множество типов уровнемеров как, например, термокондуктометрические (зависимость электрического сопротивления нагреваемого током резистора от уровня жидкости); радиоизотопные; радиоволновые (зависимость параметров колебаний электромагнитных волн от высоты уровня жидкости) к числу которых относят радиолокационные (явление отражения электромагнитных волн от границы раздела сред, различающихся электрическими и магнитными свойствами), радиоинтерференционный, эндовибраторный, резонансный.

1.5 Гидростатические уровнемеры

В этих уровнемерах измерение уровня Н жидкости постоянной плотности с сводится к измерению гидростатического давления Р, создаваемого жидкостью, причем

(1.11)

Гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление жидкости измеряется дифманометром, называется дифманометрическим.

Гидростатический уровнемер, в котором гидростатическое давление жидкости преобразуется в давление воздуха, называется пневмоуровнемером. Разновидностью пневмоуровнемера является барботажный уровнемер, в котором воздух, подаваемый от постороннего источника, барботирует через слой жидкости.

Обе импульсные трубки дифманометра заполняются контролируемой жидкостью (если она не агрессивна). Дифманометр измеряет разность давлений Р1 и Р2, действующих на его чувствительный элемент. В соответствии с (1.11) можно записать выражения для этих давлений:

(1.12)

Таким образом, дифманометр будет измерят перепад давлений, выражающийся через контролируемый уровень Н:

(1.13)

Если плотности с1 и с2 жидкости обеих импульсных трубках одинаковы и если h1 =h2, то

где с1= с2= с (1.14)

Из (1.12) и (1.13) видно, что дифманометрический уровнемер измеряет «весовой» уровень, т. е. его показания будут изменяться при изменении плотности контролируемой среды. Погрешность в показаниях появится также, если имеется разность плотностей с1 и с2 в импульсных трубках (для исключения этой погрешности импульсные трубки прокладываются рядом). Наконец, формула (1.13) справедлива только в том случае, если уровень жидкости в «минусовой» импульсной трубке (обозначенной знаком «-») будет неизменным при изменении контролируемого уровня Н.

Схемы дифманометрических уровнемеров не обеспечивают независимости показаний от изменения давления при любом текущем значении контролируемого уровня.

Все схемы подключения дифманометров-уровнемеров могут использоваться для измерения уровня жидкостей в объектах электростанций или промышленных предприятий. Конкретная схема измерения определяется условиями работы объекта и необходимой точностью измерения уровня. Так, при измерении уровня в подогревателях питательной или сетевой воды электростанций обычно используются однокамерные уравнительные сосуды.

Перепад давления, действующий на дифманометр, определяется выражением:

или (1.15)

(1.16)

где с_В, с' u с" - плотности воды в плюсовой импульсной трубке, конденсата и пара.

Перепад ДР, действующий на дифманометр, определяется выражением:

(1.17)

Поскольку при давлении в конденсаторе с' >> с" выражение для перепада давления упрощается:

(1.18)

Дифманометры в качестве измерителей уровня нашли применение также и в криогенной технике для измерения уровня низкокипящих сред. Особенностью подключения дифманометров-уровнемеров к емкостям является отсутствие уравнительных сосудов. Импульсные трубки выводятся из газовой полости и части, заполненной жидкостью, причем, последняя выводится горизонтально для исключения возможного влияния столба жидкости в трубке. Если нижняя импульсная трубка будет заполнена жидкостью, то при ее испарении порциями возможно колебание давления в измерительной схеме. Во избежание этого отбор давления осуществляется из специального колпачкового устройства. В этом случае жидкость (за счет притока теплоты по импульсной трубке) испаряется в полость под колпачком, что исключает пульсацию давления.

В тех случаях, когда разность температур между контролируемой средой и средой, окружающей резервуар, меньше 50 °C, для уменьшения пульсации давления в плюсовой импульсной трубке на ней вблизи резервуара устанавливается тепловая рубашка, в которую подается теплая среда. Этим обеспечивается надежное испарение жидкости в пространство под колпачком.

Метод измерения уровня дифманометрами обладает рядом достоинств. Такие уровнемеры отличаются механической прочностью, простотой монтажа, надежностью. Но им присущ один существенный недостаток: чувствительный элемент дифманометров находится в непосредственном контакте с контролируемой средой. При измерении уровня агрессивных сред это вызывает необходимость либо использования специальных материалов для дифманометров, либо применения схем подключения дифманометров, не допускающих попадания активных сред в дифманометр, например включения в импульсные линии разделительных устройств, продувка импульсных линий чистой водой и т. д.

От этого недостатка свободен один из типов гидростатических уровнемеров — барботажный пневмоуровнемер.

1.6 Индуктивные уровнемеры

Принцип действия индуктивных уровнемеров основан на зависимости индуктивности одиночной катушки или взаимной индуктивности двух катушек от глубины погружения их в электропроводную жидкость. Такая зависимость обусловлена возникновением в жидкости под действием магнитного поля переменного тока возбуждения вихревых токов, магнитное поле которых оказывает размагничивающее действие на поле тока возбуждения. Действительно, по определению индуктивность L катушки представляет собой отношение магнитного потока Ф к току I создающему этот поток. При погружении катушки в жидкость в ней создаются вихревые токи, магнитное поле которых по закону Ленца направлено навстречу основному, т. е. результирующий магнитный поток будет меньше потока «сухой» катушки. Это означает, что индуктивность погруженной катушки меньше индуктивности сухой катушки. Таким образом, если индуктивный преобразователь представляет собой одиночную длинную катушку, то ее индуктивность и полное сопротивление Z=R+jщL будут зависеть от глубины погружения (R — активное сопротивление катушки, щ — круговая частота тока возбуждения). Существуют индуктивные преобразователи, содержащие две индуктивно связанные катушки, образующие трансформатор (трансформаторные преобразователи).

При изменении индуктивностей L1 и L2 обеих катушек изменяется их взаимная индуктивность М в соответствии с выражением:

(1.19)

где k - коэффициент связи, определяемый потоками рассеяния.

В реальных конструкциях таких преобразователей обмотки, выполняются намоткой в два провода, при этом L1 = L2 = L и k >> 1.

Из принципа действия индуктивных уровнемеров видно, что они пригодны для измерения уровня только электропроводных сред. Кроме того, поскольку интенсивность вихревых токов зависит от электропроводности среды, изменение ее в процессе измерения вызовет появление дополнительной погрешности.

Наибольшее распространение эти уровнемеры получили для измерения уровня жидкометаллического теплоносителя в ядерных энергетических установках.

Преобразователь состоит из обмотки возбуждения, по которой протекает переменный ток возбуждения Iв, и вторичной обмотки, с которой снимается выходной сигнал Uвых. Преобразователь помещен в металлический защитный чехол, который герметично закреплен в крышке резервуара. Это позволяет осуществлять замену уровнемера без нарушения герметичности контура. Как уже указывалось, под действием потока возбуждения в толще контролируемой среды (например, жидкого металла) возникают вихревые токи. Это приводит к зависимости взаимной индуктивности М между обмотками от уровня металла. Эта зависимость линейна по всей длине обмоток, кроме концевых участков, длиной, равной их диаметру, где характеристика искривляется. Таким образом, ЭДС E=щMIв во вторичной обмотке, а следовательно, и выходное напряжение Uвых будет линейно зависеть от уровня. Взаимодействие поля возбуждения и поля вихревых токов осуществляется через металлический защитный чехол, который ослабляет поля и, следовательно, ухудшает чувствительность преобразователя, причем экранирующее действие чехла увеличивается с ростом частоты щ тока возбуждения I_В. Однако выбирать низкое значение щ нецелесообразно, так как при этом уменьшается ЭДС Е во вторичной обмотке, а следовательно, и Uвых (обычно частота выбирается равной 4 — 5 кГц).

Основным недостатком трансформаторных преобразователей уровня является влияние изменения температуры контролируемой среды на результат измерения. Это влияние обусловлено изменением активного сопротивления обмоток в зависимости от изменения температуры, и изменением их индуктивности в связи с линейным расширением провода, а также изменением проводимости чехла и контролируемой среды. Кроме того, на результат измерения будут оказывать влияние изменения состава среды, а также изменение со временем свойств материалов чехла. При измерении уровня жидких металлов влияние будет оказывать также наличие на чехле пленки расплава или пленки окислов. Автоматическая компенсация этих погрешностей представляет собой трудную задачу из-за сложности измерения влияющих величин и сложного характера влияния их на погрешность.

Преобразователи трансформаторного типа удобно использовать в качестве сигнализаторов предельных значений уровня. В этом случае преобразователь состоит из двух отдельных коротких трансформаторов, разнесенных на расстояние, равное разности верхнего и нижнего уровней. Первичные обмотки трансформаторов включены последовательно и питаются от одного источника. Вторичные обмотки включены встречно, и разностный сигнал идет в схему сигнализации.

Срабатывание схемы аварийной сигнализации происходит при нулевом значении выходного напряжения Uвых, т. е. если ЭДС во вторичных обмотках трансформаторов будут равными. Очевидно, что это будет в том случае, если оба трансформатора окажутся одновременно либо ниже уровня (т.е. когда уровень достигнет верхнего аварийного значения), либо выше уровня (когда уровень достигнет нижнего аварийного значения). При промежуточных значениях уровня Uвых? 0 и срабатывания схемы сигнализации не происходит.

Меньшее влияние перечисленные выше факторы оказывают на работу индуктивных уровнемеров дискретного действия. В таких уровнемерах фиксируется достижение определенных значений уровня, т. е. указатель переместится на соседнюю отметку только при изменении уровня на определенное значение — шаг дискретности.

Изменение свойств контролируемого жидкого металла (в том числе и за счет изменения температуры), а также налипший на чехол спой металла или его окислов не приведет к нарушению работоспособности прибора. Суммируя сказанное, можно перечислить достоинства дискретных индуктивных уровнемеров: независимость показаний от изменения температуры среды и наличия на чехле пленок расплава или окислов (при измерении уровня металла).

2. Выбор структурной схемы

Основным элементом измерителя уровня является измерительный преобразователь. Именно он определяет основные характеристики всего прибора.

Проанализировав методы построения измерительных преобразователей, было принято решение о выборе емкостного измерительного преобразователя, на основе которого построена структурная схема всего устройства. Суть метода заключается в преобразовании измеряемой емкости в электрический сигнал, в котором конденсатор рассматривается как пассивный двухполюсник. Поскольку для любого конденсатора, которым в данном случае являются электроды датчика, справедливо равенство:

(2.1)

при = const получается достаточно простое линейное соотношение i=kC_Х. Постоянную скорость нарастания имеет, как известно, пилообразный или треугольный сигнал, т. е. при подаче на измеряемую емкость треугольного напряжения ток в цепи, а следовательно, и напряжение на нагрузке Rn, будет постоянным и пропорциональным величине C_Х:

Рис. 2.1 Упрощенная схема дифференциатора

Рис. 2.2 Временные диаграммы

Тогда работа схемы описывается следующим выражением (для линейно возрастающего входного напряжения):

(2.2)

где U=U_MAX-U_MIN; U_RMIN= - .

Аналогичное соотношение получают и для линейно спадающего участка входного напряжения. Если RnC_X<_{X (}Т — период треугольного напряжения).

Далее более подробно рассмотрим структурную схему устройства, реализующего представленный метод измерения емкости.

На структурной схеме (Рис. 2.3.) приняты следующие обозначения:

СЗ — схема запуска;

ГТН — генератор треугольного напряжения;

БК — блок компенсации емкости пустого бака и подводящих проводов;

СУ1…СУ6 — схемы управления насосами;

Н1…Н6 — насосы;

Д1…Д6 — емкостные датчики;

К1, К2 — коммутаторы, управляемые синфазно;

ИП — измерительный преобразователь;

Ус — усилитель;

В — выпрямитель;

Ф — фильтр;

АЦП — аналого-цифровой преобразователь;

МК — микроконтроллер;

КД — местная клавиатура и дисплей;

ПЭВМ — внешняя ПЭВМ, подключаемая через стандартный интерфейс;

УС1…УС6 — устройства сравнения;

ЗИ — звуковая индикация о переполнении какого-либо бака;

ГТИ — генератор тактовых импульсов;

РИ — распределитель импульсов на 6;

СИ — световая индикация активного в данный момент датчика.

Рис. 2.3 Структурная схема

СЗ представляет собой переключатель «Сеть», при замыкании которого происходит подача сетевого напряжения 220 В, после чего начинают работать насосы.

ГТН должен питать схему. Он формирует симметричное треугольное напряжение с равной длительностью возрастающего и спадающего участка. Симметрия напряжения соблюдается очень точно, она обеспечивает одинаковую крутизну возрастающего и спадающего участка треугольного напряжения. В этом случае обеспечивается равная амплитуда положительного и отрицательного напряжения на нагрузочном резисторе.

Измеряемая емкость (вместе с компенсационной емкостью) через К1, представляющий собой 6 аналоговых ключей, замыкаемых по очереди, поступает на Ус, на выходе которого формируется прямоугольное напряжение, пропорциональное величине измеряемой емкости. Этот сигнал уже поступает на В и далее на Ф. Фильтр сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Компенсация происходит при суммировании, или точнее (с учетом знаков входных напряжений) при вычитании компенсационного напряжения из информационного сигнала. Таким образом, на выходе фильтра формируется постоянное напряжение пропорциональное измеряемой емкости и уровню заполнения бака. Выходной сигнал изменяется в диапазоне 0.10 В.

АЦП принимает аналоговый сигнал и преобразовывает его в параллельный двоичный код. Поступающая от АЦП информация обрабатывается МК и формируется информация об уровне жидкости в резервуаре, емкости и времени работы устройства для вывода на семисегментный дисплей при соответствующем нажатии кнопки на клавиатуре.

Кроме того, МК имеет стандартный интерфейс RS-232С для приема/передачи информации с внешней ПЭВМ.

На выходе ГТИ формируются импульсы типа «меандр» со скважностью 2 и периодом 1 минута. Эти импульсы поступают на тактовый вход РИ, на выходе которого формируется так называемая «бегущая единица», т. е. высокий уровень присутствует только на одном из 6 выходов.

СИ — это 6 светодиодов, каждый из которых подключен к соответствующему выходу РИ. Тем самым в любой момент времени имеем только 1 светящийся светодиод, сигнализирующий: какой из 6 датчиков включен в данный момент. Поскольку оба коммутатора управляются одним и тем же сигналом, то на К2 замкнут такой же ключ, что и на К1. Это необходимо для возможности управления того или иного насоса.

Сигнал, поступающий на К2, снимается с выхода Ф, т. е. это величина в диапазоне 0…+10 В, что соответствует минимальному и максимальному заполнению бака. Этот сигнал поступает на один из входов УС, на второй вход которого подается величина +9 В, соответствующая заполнению бака на 90%. Если сигналы на входах УС оказываются равными, то на его выходе формируется уровень «логической единицы», который поступает на ЗИ и СУ, тем самым сигнализируя звуком о заполнении одного из баков и об отключении посредством СУ данного насоса.

Цикл измерения устройства 1 минута, поэтому спустя минуту на выходе ГТИ сформируется следующий импульс, это переключит РИ и на протяжении этой минуты будет подключен следующий датчик. Через минуту цикл повторится и т. д.

3. Разработка и расчет узлов принципиальной схемы

В применяемом емкостном методе измерения уровень жидкости, заполняющей бак, пропорционален емкости, образованной двумя электродами: непосредственно помещенным в бак и самим баком. При этом нулевому уровню жидкости в баке соответствует некоторая известная емкость Со+Сп, индифферентная к уровню заполнения бака и образованная емкостной связью между электродами в отсутствие заполняющей жидкости и емкостью проводов соответственно. При изменении уровня изменяется емкость между электродами ДС, а полная емкость при измерении определяется суммой

С_Х=Со +Сп + ДС, (3.1)

где h — измеряемый уровень, а h_m — максимальная высота бака (в нашем случае равная 2 м).

3.1 Расчет генератора треугольного напряжения

Генератор должен выдавать треугольное напряжение. Частота генератора определяет ток, протекающий через измеряемую емкость. Зададимся необходимой частотой 50 кГц и амплитудой выходного напряжения 10 В.

Рис. 3.1 Схема генератора треугольного напряжения

Основным элементом генератора является интегратор на ОУ2. После подачи напряжения питания выходное напряжение ОУ1 устанавливается на уровне U⁺_НАС (напряжение насыщения положительной полярности). При подаче на вход интегратора U⁺_НАС на его выходе появляется линейно-убывающее напряжение. При достижении им значения, равного напряжению на неинвертирующем входе компаратора ОУ1, компаратор переключается (U^-_НАС). Напряжение на выходе интегратора становится линейно-нарастающим. Этот процесс происходит до тех пор, пока напряжение не достигнет напряжения переключения компаратора. Затем весь процесс повторяется.

Для обеспечения равенства U⁺_НАС = U^-_НАС используется двуханодный стабилитрон КС191А.

Таблица 3.1

Электрические параметры стабилитрона КС191А

В качестве ОУ применим КР544УД2А — операционный дифференциальный усилитель с высоким входным сопротивлением и повышенным быстродействием.

Таблица 3.2

Электрические параметры ОУ КР544УД2А

Для обеспечения тока стабилизации >3 мА рассчитаем сопротивление r, которое должно пропускать ток больший, чем I_{СТ. МИН} +I_{Н. МАКС.} Сопротивление R1 выбираем равным 10 кОм. Ток нагрузки имеет максимальное значение, когда напряжение на неинвертирующем входе ОУ1 равно нулю:

А (3.1)

Ом (3.2)

Выбираем r=220 Ом: Р1−4-0,25−220 Ом±1%.

Для обеспечения U_ВЫХ=10 В:

Ом (3.3)

Выбираем R2=11 кОм: Р1−4-0,25−11 кОм±1%.

Для обеспечения периода мкс:

с (3.4)

Выбираем Сt=1 нФ (К70−6-63В-0,001мкФ ±10%). Тогда

Ом (3.5)

Выбираем Rt=4,7 кОм: Р1−4-0,25−4,7 кОм±1%.

3.2 Расчет датчика и усилителя

Рис. 3.2 Схема датчика, усилителя и блока компенсации

БК — схема компенсации емкости пустого бака и подводящих проводов.

В данном случае паразитные емкости в несколько нФ практически не оказывают никакого влияния на результат измерения. По заданию выбираем С₀ = 20 пФ и С_П=10 пФ (К15−13−25В), кроме того при h=h_m C_Х=45 пФ. ОУ — КР544УД2А. Рассчитаем R_ОС. Для этого примем U_ВЫХ = U_ВХ = 10 В. Тогда:

(3.6)

кОм (3.7)

Выбираем R_ОС = 210 кОм: Р1−4-0,25−210 кОм±1%.

Схема БК на ОУ1 необходима для компенсации (вычитания) емкостей пустого бака и проводов, поэтому выбираем R=10 кОм: Р1−4-0,25−10 кОм±1%.

Поскольку устройство содержит 6 одинаковых емкостных датчиков, то итоговая схема будет представлять собой их параллельное включение через коммутатор К1.