Обзор и сравнительный анализ методов измерения уровня

Содержание

 

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

Введение

 

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

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.

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 Омми диэлектрическую проницаемость ε_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 ε₀ = 8,8510^-12 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума; ε - 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 ε_Ж, ε _Г - относительные диэлектрические проницаемости жидкости и газа над ней.

Суммарное выходное сопротивление преобразователя Zпpкроме емкостей С1 и С2определяется также емкостью Сипроходного 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 hне зависит, кроме того, для газов ε _r =1, поэтому

 

 (1.4)

 

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

Для уменьшения влияния изменения ε_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 Спри подстроечного конденсатора С. Мост уравновешен при нулевом уровне жидкости, при этом сигнал на входе и выходе усилителя равен нулю. При увеличении уровня емкость Спррастет, 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.