ФЭА / АИТ / КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине: «Технические средства автоматизации» на тему: «Расходомер-счетчик ультразвуковой «ВЗЛЕТ РСЛ-212»
(автор - student, добавлено - 20-10-2013, 22:57)
СКАЧАТЬ:
КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине: «Технические средства автоматизации» на тему: «Расходомер-счетчик ультразвуковой «ВЗЛЕТ РСЛ-212»
ОглавлениеВВЕДЕНИЕ. 3 Теоретическая часть. 4 1 Назначение расходомера. 4 2 Технические характеристики. 5 4 Принцип работы.. 6 5 Составные части расходомера. 11 Расчетная часть. 16 выводы.. 26 список литературы.. 27
ВВЕДЕНИЕИзмерение расхода - важнейшая задача управления технологическими процессами и учетом. Расход вещества — это его количество, протекающее через сечение трубопровода в единицу времени. Для измерения расхода веществ применяют расходомеры, основанные на различных принципах действия: расходомеры переменного и постоянного перепада давлений, переменного уровня, электромагнитные, ультразвуковые, вихревые, тепловые и турбинные. Измерение расхода и количества является сложной задачей, поскольку на показания приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение фаз в потоке и т. п. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий эксплуатации, главным образом от температуры и давления. Для контроля расхода и учёта воды и теплоносителя с 60-х годов прошлого века в промышленности применяются ультразвуковые расходомеры. Неоспоримые достоинства ультразвуковых расходомеров: малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления, надежность (так как нет подвижных механических элементов), высокая точность, быстродействие, помехозащищенность – определили их широкое распространение. Расходомер-счетчик ультразвуковой ВЗЛЕТ РСЛ (РСЛ-212) Предназначен для измерения объемного расхода, объема и уровня различных жидкостей (в том числе сточных вод) в безнапорных трубопроводах и открытых каналах. Может применяться в технологических процессах промышленных предприятий, на очистных сооружениях, в канализационных сетях и т.д. 1 Назначение расходомераРасходомер-счетчик ультразвуковой «ВЗЛЕТ РСЛ» исполнения РСЛ-212 предназначен для автоматического бесконтактного измерения объемного расхода, объема, уровня различных жидкостей с широким спектром свойств (включая агрессивные) в безнапорных трубопроводах и открытых каналах (U-образных лотках, стандартных водосливах и лотках, а также открытых каналах произвольной формы). Расходомер «ВЗЛЕТ РСЛ» может применяться в технологических процессах промышленных предприятий, на очистных сооружениях, в канализационных сетях и т.д. Расходомер может применяться в различных отраслях промышленно-хозяйственного комплекса, включаться в состав информационно-измерительных систем, АСУ ТП и т.д. Расходомер ультразвуковой «ВЗЛЕТ РСЛ» обеспечивает: - измерение дистанции до границы раздела сред, уровня жидкости, объемного расхода и объема; - вывод результатов измерений в виде импульсно-частотных, токовых и логических сигналов; - индикацию измеренных, расчетных, установочных, архивированных параметров, текущей даты и времени на встроенном жидкокристаллическом индикаторе (ЖКИ); - вывод измерительной, диагностической, установочной и архивной информации по последовательным интерфейсам RS-232 или RS-485, а также по интерфейсу Ethernet; - автоматический учет изменения скорости распространения ультразвука при изменении состава либо параметров газовой среды с помощью репера или термопреобразователя сопротивления (ТПС); - архивирование результатов измерений в часовом, суточном и месячном архивах, в интервальном архиве с устанавливаемым интервалом архивирования, а также - данных об отказах и нештатных ситуациях в специальных архивах;
- возможность программного конфигурирования системы измерения с учетом особенностей монтажа расходомера на объекте; - автоматический контроль и индикацию наличия неисправностей расходомера и нештатных ситуаций; - сохранение установочных и настроечных параметров в энергонезависимой памяти; - защиту архивных и установочных данных от несанкционированного доступа.
2 Технические характеристикиОсновные технические характеристики расходомера приведены в табл.1. Таблица 1
3 Метрологические характеристики Пределы допускаемой основной относительной погрешности измерения объемного расхода и объема в пределах (10-100)% диапазона измерения расхода: - в безнапорных трубопроводах и открытых каналах при индивидуальной градуировке расходной характеристики на месте эксплуатации - ± 3,0 %; - в безнапорных трубопроводах и U-образных лотках при вводе расходной характеристики по результатам одноточечной калибровки в соответствии с рекомендациями МИ 2220 - ± 4,0 %; - в каналах, оборудованных стандартными водосливами или лотками, при вводе расходной характеристики, полученной расчетным путем в соответствии с рекомендациями МИ 2406 - ± 5,0 %. Пределы допускаемой относительной погрешности расходомера при при измерении времени соответствуют ± 0,01 %.
4 Принцип работыПринцип работы расходомера основан на бесконтактном измерении уровня жидкости, протекающей в безнапорном трубопроводе или открытом канале, и пересчете текущего значения уровня в соответствующее значение расхода с последующим вычислением при необходимости суммарного объема прошедшей жидкости. Пересчет измеренного значения уровня в значение расхода производится в соответствии с функцией «уровень – расход» для конкретного типа канала (трубопровода). Функция «уровень – расход» (расходная характеристика) рассчитывается, исходя из гидравлических параметров канала, или определяется экспериментально. В прибор возможен оперативный ввод расходной характеристики путем задания до 32 пар значений «уровень – расход». Для безнапорных трубопроводов круглого сечения и U-образных лотков в приборе предусмотрен автоматизированный расчет расходной характеристики в соответствии с МИ 2220-96 «ГСИ. Расход сточной жидкости в безнапорных трубопроводах. Методика выполнения измерений» по результатам одноточечной калибровки канала. Расходная характеристика для стандартных водосливов и лотков определяется расчетным путем в соответствии с МИ 2406-97 «ГСИ. Расход сточной жидкости в безнапорных каналах систем водоснабжения и канализации. Методика выполнения измерений при помощи стандартных водосливов и лотков». Расходная характеристика открытого канала произвольной формы определяется путем индивидуальной градуировки ее на объекте. Для определения уровня жидкости используется метод акустической локации через газовую среду границы ее раздела с жидкой средой (рис.2). ПЭП сначала излучает ультразвуковой сигнал (УЗС) по направлению к поверхности раздела сред, а затем принимает отраженный эхо-сигнал.
Рисунок 1. Схема измерения уровня
По измеренному значению времени прохождения УЗС в прямом и обратном направлении Т и величине скорости распространения УЗС в газовой среде С рассчитывается расстояние r от излучающей поверхности преобразователя до поверхности раздела сред по формуле
Для удобства оценки результатов измерений положение базовой плоскости, от которой ведется отсчет расстояния, привязано к внешней поверхности конструкции, на которой крепится ПЭП. При этом измеряемая дистанция D равна расстоянию от базовой плос-кости отсчета до поверхности раздела сред
где dD – смещение нуля. С учетом известной величины базы измерения уровня B рассчитывается текущее значение уровня H по формуле H = B – D, где В – расстояние от базовой плоскости отсчета до дна канала или до некоторой условной плоскости, относительно которой определяется значение уровня. Поскольку скорость распространения УЗС зависит от параметров газовой среды (температуры, влажности, давления, состава газа), то для обеспечения заданной точности измерений в расходомере предусмотрены различные способы определения значения скорости УЗС в зависимости от типа используемой АС: а) если в составе акустической системы используется реперный отражатель в виде цилиндра или пластины, расположенных на пути распространения акустического луча (АС-40х-110, -90х-110), то это позволяет определять текущее значение скорости с учетом известного значения расстояния от базовой плоскости отсчета до репера
где ТR – время прохождения УЗС до репера и обратно; DR – дистанция до репера; dD – смещение нуля. ПРИМЕЧАНИЕ. Значения параметров DR и dD определяются по результатам калибровки расходомера при выпуске из производства и заносятся в паспорт. б) если в составе акустической системы используются термопреобразователь сопротивления (АС-61х-110, -81х-110), то текущее значение скорости УЗС рассчитывается с использованием эмпирической формулы, учитывающей температуру газовой среды, в которой происходит распространение УЗС
где C0 – скорость УЗК при температуре 0 °С, м/с; 0,59 – коэффициент, м/с⋅°С; t – текущее значение температуры газовой среды, измеренное расходомером, °С. ПРИМЕЧАНИЕ. Значение параметра С0 для воздуха определяется в результате калибровки при выпуске из производства. Если состав газовой среды на объекте отличается от воздуха, то для правильного определения расходомером текущего значения скорости УЗС необходимо выполнить корректировку значения параметра C0 на объекте в соответствии с п.5.4 документа «Расходомер-счетчик ультразвуковой «ВЗЛЕТ РСЛ». Исполнение РСЛ-212. Инструкция по монтажу» В18.00-00.00-20 ИМ. В расходомере с целью повышения помехоустойчивости измерительного тракта предусмотрен режим автоматического поиска и слежения за полезным эхо-сигналом на фоне помех. Помехи могут быть обусловлены многократными переотражениями УЗС и наличием на объекте посторонних отражателей. В режиме автоматического поиска используется один из 4-х критериев для выбора полезного эхо-сигнала: - максимальный по амплитуде сигнал в заданном диапазоне измерений; - ближайший по дистанции сигнал в заданном диапазоне измерений; - самый удаленный по дистанции сигнал в заданном диапазоне измерений; - максимальное значение произведения амплитуды сигнала на корень квадратный из значения дистанции в заданном диапазоне измерений.
Возможен также и ручной поиск полезного сигнала. Процедура настройки режима поиска полезного эхо-сигнала приведена в документе «Расходомер-счетчик ультразвуковой «ВЗЛЕТ РСЛ». Исполнение РСЛ-212. Инструкция по монтажу» В18.00-00.00-20 ИМ. Расходомер состоит из акустической системы и блока измерительного цифрового. АС включает звуковод и пьезоэлектрический преобразователь. ПЭП предназначен для излучения и приема ультразвуковых коле-баний. Для АС-40х-110, -90х-110 звуковод комплектуется реперным отражателем, а для АС-61х-110, -81х-110 – ТПС. Основными элементами БИЦ являются платы измерителя и вычислителя. Измеритель обеспечивает зондирование поверхности жидкости (формирует зондирующие импульсы для ПЭП, принимает и усиливает сигналы от ПЭП), измерение времени прохождения УЗС в прямом и обратном направлении и информационный обмен с платой вычислителя. Вычислитель осуществляет расчет вычисляемых параметров, информационный обмен с платой измерителя и внешними устройствами, архивирование информации, управляет работой электронных модулей внешних связей, жидкокристаллического индикатора и обеспечивает работу клавиатуры. Для обеспечения внешних связей расходомера на плате вычислителя установлен электронный комбинированный модуль универсального выхода 0 и последовательных интерфейсов RS-232 и RS-485. Кроме того, по заказу на плату вычислителя дополнительно можно установить до двух электронных сервисных модулей внешних связей: - один или два 4-канальных модуля универсальных выходов; - модуль токового выхода; - модуль Ethernet. Управление работой расходомера и индикация измерительной, установочной, диагностической, архивной информации обеспечивается с помощью клавиатуры и графического ЖКИ. Период обновления текущей информации на экране ЖКИ составляет 1 с. 5 Составные части расходомераБлок измерительный цифровой Функции БИЦ БИЦ представляет собой микропроцессорный измерительно-вычислительный блок модульной конструкции, выполняющий следующие функции: - формирование зондирующих импульсов, а также импульсов для очистки ПЭП от возможного конденсата; - преобразование и обработку сигналов, полученных от ПЭП; - определение значений измеряемых параметров; - архивирование и хранение в энергонезависимой памяти результатов измерений, вычислений, установочных параметров и т.п.; - обработку управляющих сигналов с клавиатуры; - вывод измерительной, архивной, диагностической и установочной информации на дисплей ЖКИ, через последовательный интерфейс RS-232 (RS-485) и интерфейс Ethernet; - вывод измерительной информации через токовый и/или универсальные выходы; - автоматический контроль и индикацию наличия нештатных ситуаций и неисправностей в расходомере.
Конструкция БИЦ Корпус БИЦ состоит из трех литых из алюминиевого сплава частей (конструктивных модулей): лицевой части – модуля измерителя, средней части – модуля встроенного источника питания (ВИП) и основания – монтажного модуля.
Модуль измерителя содержит платы измерителя и вычислителя. На лицевой панели корпуса модуля находятся жидкокристаллический индикатор и клавиатура. ЖКИ обеспечивает вывод четырех строк алфавитно-цифровой информации при 20 символах в строке. На плату измерителя устанавливается приемо-передающий модуль, к которому подключается ПЭП. На плату вычислителя устанавливаются электронные модули: - комбинированный модуль последовательных интерфейсов (RS-232 и RS-485) и универсального выхода 0, снабженный контактными парами (для задания режима работы БИЦ и режима работы оконечного каскада универсального выхода) и разъемами (для под-ключения кабелей связи с внешними устройствами); - температурный модуль с разъемами для подключения ТПС. На плате вычислителя предусмотрены два слота расширения (разъема) для установки по заказу дополнительно одного или двух электронных сервисных модулей внешних связей. Сервисные модули имеют разъемы для подключения кабелей связи с приемниками сигналов, а модули универсальных выходов еще и контактные пары для установки режимов работы оконечных каскадов. Возможные комбинации установки сервисных модулей внешних связей и нумерация выходов в зависимости от места установки модулей (слота расширения) приведены в табл.2. Таблица 2
Модуль ВИП содержит плату встроенного источника питания. На нижней плоскости корпуса модуля ВИП расположена клемма защитного заземления, а на задней - технологический разъем. Модуль ВИП совместно с модулем измерителя, соединяемые электрически многожильным шлейфом и конструктивно винтами со стороны модуля ВИП, составляют субблок измерителя. Доступ к контактным парам и разъемам модулей внешних связей для подключения кабелей связи с ПЭП, ТПС и внешними устройствами осуществляется с обратной стороны субблока измерителя. В свою очередь субблок измерителя соединяется винтами со стороны лицевой панели с монтажным модулем, образуя блок измерительный цифровой. На задней стенке корпуса блока устанавливаются кронштейны, обеспечивающие крепление БИЦ на DIN-рейку 35/7,5. На нижней плоскости корпуса монтажного модуля расположены: разъем интерфейса RS-232, отверстия с мембранными заглушками для ввода кабеля питания, сигнальных кабелей ПЭП, а также кабелей внешних устройств, подключаемых к БИЦ. Внешний разъем RS-232 на монтажном модуле с помощью плоского кабеля подключается к 8-контактному разъему RS-232 комбинированного модуля.
Акустическая система Акустическая система обеспечивает формирование и излучение в направлении поверхности раздела сред ультразвукового сигнала и последующий прием отраженного сигнала. Исполнения акустических систем обозначаются в соответствии со следующей кодификацией. Звуковод акустических систем исполнений АС-40х-110 (с цилиндрическим репером) представляет собой отрезок трубы, на верхнем конце которого установлен монтажный фланец с отверстиями для неподвижного крепления на объекте (рис.А.4). ПЭП установлен в центре монтажного фланца излучающей поверхностью внутрь звуковода. К нижнему концу звуковода с помощью держателей крепится репер – фторопластовый полый цилиндр на металлическом стержне. Репер служит отражателем и установлен на известном расстоянии от излучающей поверхности ПЭП. Звуковод АС исполнений АС-61х-110 (с ТПС) также имеет на верхнем конце монтажный фланец с крепежными отверстиями (рис.А.5). Кроме ПЭП на фланец установлен ТПС. Чувствительный элемент ТПС располагается внутри звуковода. Репера на звуководе нет. На звуководе АС исполнений АС-81х-110 (с ТПС) на нижнем конце звуковода установлен упорный фланец с крепежными отверстиями (рис.А.6). Монтажный фланец на верхнем конце звуковода с ПЭП и ТПС выполнен без крепежных отверстий. Звуковод АС исполнений АС-90х-110 также имеет на нижнем конце звуковода упорный фланец с крепежными отверстиями. Снизу на упорный фланец установлен репер в виде металлической пластины (рис.А.7). ТПС на звуководе нет. Для обеспечения монтажа акустической системы с учетом конструктивных особенностей контролируемого объекта расходомер может дополнительно комплектоваться установочными патрубками соответствующего вида. Виды установочных патрубков, а также варианты монтажа АС приведены в документе «Расходомер-счетчик ультразвуковой ВЗЛЕТ РСЛ. Исполнение РСЛ-212. Инструкция по монтажу» В18.00-00.00-20 ИМ. Материал звуковода, монтажных патрубков, уплотнительных прокладок зависят от исполнения АС. ПЭП предназначен для излучения и приема ультразвуковых колебаний. В режиме излучения переменное электрическое напряжение, поступающее на электроды пьезоэлемента ПЭП, преобразуется в акустические колебания (обратный пьезоэффект), распространяющиеся в направлении границы раздела сред. В режиме приема ультразвуковые колебания, отраженные от границы раздела сред, воздействуют на пьезоэлемент и преобразуются в переменное электрическое напряжение (прямой пьезоэффект). Периодически, через заданные интервалы времени на ПЭП подается электрический сигнал, обеспечивающий выполнение самоочистки поверхности пьезоэлектрического преобразователя. Вид ПЭП показан на рис 2. Основой ПЭП является пьезоэлемент, состоящий из набора пьезокерамических пластин. Рисунок 2. Пьезоэлектрический преобразователь
Для акустического согласования пьезоэлемента с газовой средой служит специальная излучающая накладка, защищенная от внешних воздействий фторопластовым покрытием. Пьезоэлемент с накладкой размещается в герметичном корпусе из нержавеющей стали. Через гермоввод к ПЭП подключен кабель связи типа МКВЭВ 2х0,35.
Расчетная часть Необходимо рассчитать и спроектировать вторичный источник питания по таким исходным данным: = 24 В = 220 B = 50 Гц = 0,4 B = 15 B = 100 = 0,02 A На рис. 3 изображена структурная схема вторичного источника питания. Рисунок 3. Структурная схема вторичного источника питания
Разработка принципиальной схемы На входе вторичного источника питания можно поставить схему однофазного выпрямителя напряжения.После выпрямителя поставим сглаживающий R-C фильтр. Потом необходимо рассчитать и установить одну из схем параметрического стабилизатора напряжения. Схема вторичного источника питания будет иметь вид:
Рисунок 4. Схема вторичного источника питания
Расчет элементов схемы
1. Расчет следует производить «от нагрузки». Для чего по исходным данным определим :
2. Зададимся коэффициентом стабилизации (из исходных данных): К = 100. 3. Находим величину минимального напряжения на входе стабилизатора: , где — минимально допустимое напряжение между эмиттером и коллектором регулирующего транзистора, при котором работа еще происходит на линейном участке выходной характеристики; — отклонение напряжения на выходе стабилизатора от номинального. Напряжение для большинства транзисторов не превышает 1—3 В. При расчете можно принимать равным 3В. Величина напряжения для нашего случая определяется верхним пределом регулировки выходного напряжения, т. е = 0,4 В. Таким образом, B. Номинальное и максимальное напряжения на входе стабилизатора с учетом допустимых отклонений входного напряжения (поскольку нестабильность напряжения питающей сети нам не задана, возьмем отклонение = ± 10%, что вполне достаточно для обеспечения заданных показателей качества) соответственно равны:
4. Определяем максимальное падение напряжения на участке эмиттер — коллектор регулирующего транзистора:
5. Находим максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторе регулирующего транзистора: , где — максимальное значение тока нагрузки. Для нашего случая (при неизменном токе нагрузки) = = 0,1 А. Следовательно Вт. 6. Выбираем тип регулирующего транзистора: Пользуясь таблицами соответствующих справочников выбираем транзистор Т1 типа П4БЭ с такими параметрами:
7. Выбираем тип согласующего транзистора Т2. Транзистор Т2 предназначен для согласования большого выходного сопротивления (порядка 10 кОм) усилителя постоянного тока, собранного на транзисторе Т3, с малым входным сопротивлением (порядка 10 Ом) регулирующего транзистора Т1. Кроме того, транзисторы Т1 и Т2, образуя составной транзистор, имеют общий коэффициент усиления по току
, где В1 и В2 — коэффициенты усиления по току транзисторов Т1 и Т2. Большой коэффициент усиления по току позволяет значительно повысить коэффициент стабилизации схемы по напряжению. Принимая , где и — токи коллектора и эмиттера транзистора Т2 ; I б1 — ток базы транзистора Т1 и учитывая, что мА, получим = 5 мА. Кроме того,
Вт = 47 мВт. По справочнику выбираем транзистор Т2 типа П201А с параметрами:
8. Выбираем тип кремниевого стабилитрона. В качестве источника эталонного напряжения обычно используется кремниевый стабилитрон, который должен иметь номинальное напряжение стабилизации: По справочнику выбираем стабилитрон типа Д808, у которого = 8 В; = 5 мА ; = 8 мА. 9. Находим коэффициент деления напряжения делителем R5,R6 и R7
10. Выбираем тип управляющего (усилительного) транзистора Т3. На транзисторе Т3 собран усилитель, который должен реагировать на самые незначительные колебания выходного напряжения и усиливать их до величины, достаточной для управления регулирующим транзистором. Поэтому управляющий транзистор должен обеспечивать достаточное усиление сигнала по напряжению. При выборе транзистора необходимо обратить внимание на величину коллекторного тока . Этот ток должен быть по возможности небольшим, но всегда превышать ток базы согласующего транзистора Т2. Обычно величина тока выбирается в пределах 0,5 - 2 мА. Требуемое значение коэффициента усиления по напряжению для управляющего транзистора можно найти по формуле
Наиболее часто в качестве управляющих используются маломощные низкочастотные транзисторы. Предварительно выберем транзистор тира МП41 (П15) с такими данными: коэффициент усиления по току B3 = 30, максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер = 20В, максимальный ток коллектора = 20 мА, максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе = 0,15 Вт. Определим фактический коэффициент усиления каскада на транзисторе МП41 (П15). Для этого можно воспользоваться формулой
где , — крутизна характеристики транзистора Т3 (число, показывающее, на сколько миллиампер изменится коллекторный ток при изменении напряжения между базой и эмиттером транзистора на 1 В); R1 — сопротивление нагрузки в цепи коллектора транзистора Т3. Для маломощных низкочастотных транзисторов, используемых в схемах стабилизаторов напряжения, значение крутизны лежит в пределах S3 = (20 - 40) мА/В. Принимаем S3 = 30 мА/В. Сопротивление R1 может быть найдено по формуле
Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, составляет Вт.
Определим величину мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора T3:
В теоретической части данной курсовой работы мы ознакомились с расходомером Взлет РСЛ, который обеспечивает не только измерение расхода и объема, но и еще и уровня различных жидкостей с широким спектром свойств (включая агрессивные) в безнапорных трубопроводах и открытых каналах (U-образных лотках, стандартных водосливах и лотках, а также открытых каналах произвольной формы). Расходомер «ВЗЛЕТ РСЛ» может применяться в технологических процессах промышленных предприятий, на очистных сооружениях, в канализационных сетях и т.д. Расходомер может применяться в различных отраслях промышленно-хозяйственного комплекса, включаться в состав информационно-измерительных систем, АСУ ТП и т.д. При выполнении расчётной части был рассчитан вторичный источник питания, которые используются в РЭА, питающейся от сети переменного тока, для получения напряжений постоянного и переменного тока, необходимых для питания различных узлов. Недостатком данного типа блока питания является большая материалоёмкость, меньшей удельной мощностью и более низким КПД, в отличии от импульсного источника питания – это обусловлено наличием трансформатора питания работающего на частоте 50 Гц и стабилизатора компенсационного типа непрерывного действия. В данный момент в РЭА чаще стали использоваться другие виды источников питания. .
|
|