ФЭА / АИТ / Курсовая работа по ТСА "Сигнализатор уровня САУ-М7Е"
(автор - student, добавлено - 20-05-2014, 20:47)
СКАЧАТЬ:
Введение. Резервуары представляют собой весьма многочисленную группу технологических объектов, которые являются принадлежностью нефтяных промыслов, резервуарных парков, раздаточных и перевалочных баз разветвленной системы нефтехимических и химических предприятии. Во всех случаях в резервуарных парках выполняются дне основные задачи — учет и храпение жидкости. Учет нефти и нефтепродуктов представляет собою измерение их количества. Измерение количества в резервуарах может быть выполнено двумя способами: 1) измерением уровня нефти и нефтепродуктов и удельного веса с последующим вычислением общего веса и 2) непосредственным измерением весового количества жидкости. На нефтяных промыслах, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах ряд технологических процессов связан с отстоем жидкости в емкостях открытого и закрытого (герметичного) типа. Контроль хода технологического процесса в этих емкостях предполагает необходимость измерения уровня жидкости и уровня раздела фаз. Измерение уровня жидкости в резервуарах и емкостях — наиболее массовая и трудоемкая операция. Для измерения уровня в РФ и за рубежом было предложено большое количество приборов, различающихся по принципу действия и конструктивному исполнению. Чтобы знать и уметь выбрать приборы для практических целей измерения, целесообразно их классифицировать по следующим признакам. По назначению приборы можно разделить на три большие группы: 1) сигнализаторы, контролирующие предельные значения уровня; 2) уровнемеры, непрерывно измеряющие значение уровня, и 3) измерители раздела двух сред.
2. Теоретическая часть. 2.1 Назначение. Прибор САУ-М7Е предназначен для создания систем автоматизации технологических процессов, связанных с контролем и поддержанием заданного уровня жидких или сыпучих веществ в различного рода резервуарах, емкостях, контейнерах и т.п. Контроль уровня осуществляется при помощи трех, подключаемых к входам прибора, датчиков, которые устанавливаются пользователем в резервуаре на заданных условиями технологического процесса отметках: нижней, промежуточной и верхней. Для визуального контроля уровня в резервуаре на лицевой панели прибора предусмотрены три светодиодных индикатора, засветка каждого из которых осуществляется при срабатывании соответствующего датчика. В качестве входных датчиков могут быть применены: - кондуктометрические (контролирующие степень электропроводности среды) зонды; - активные датчики с выходными ключами N-Р-N -типа; - механические контактные устройства. Тип применяемых датчиков определяется пользователем, исходя из физико-химических свойств контролируемого рабочего вещества. Для управления технологическим оборудованием прибор оснащен двумя встроенными электромагнитными реле. Одно из реле предназначено для управления электроприводом исполнительного механизма (электрического насоса, электромагнитного клапана и т.п.), выполняющего в системе функции регулятора по поддержанию заданного уровня. Работа этого реле может осуществляться как в автоматическом режиме (по сигналам датчиков нижнего и промежуточного уровней), так и по командам оператора (от встроенных кнопок ручного управления). Алгоритм работы реле в автоматическом режиме задается пользователем, исходя из способа, которым регулятор должен осуществлять поддержание уровня: заполнение резервуара или его опорожнение. Другое реле предназначено для формирования аварийного сигнала при достижении рабочим веществом предельного верхнего уровня. Условия эксплуатации: - закрытые взрывобезопасные помещения без агрессивных паров и газов; - температура окружающего воздуха от + 5˚С до + 50˚С; - верхний предел относительной влажности воздуха - 80% при 35˚С и более низких температурах без конденсации влаги; - атмосферное давление от 86 до 106,7 кПа. 2.2 Технические данные. Основные технические характеристики прибора САУ-М7Е:
2.2 Устройство и работа прибора. Функциональная схема прибора САУ-М7Е представлена на рис. 1.
В состав прибора входят: -входные устройства ОУ1...ОУ3, предназначенные для обработки сигналов датчиков уровня; - блок логики, предназначенный для формирования сигналов управления выходным реле РАБОТА; - выходные электромагнитные реле ВЕРХ и РАБОТА, предназначенные для управления исполнительными механизмами; - светодиодные индикаторы, служащие для отображения информации о состоянии датчиков, выходных реле и режимах работы прибора; - блок питания, служащий для обеспечения схемы стабилизированным напряжением 12В постоянного тока; - К1, К4 - коммутаторы электрических сигналов. Контроль уровня осуществляется при помощи трех датчиков, которые устанавливаются пользователем в резервуаре на заданных по условиям технологического процесса отметках: нижней, промежуточной, верхней и подключаются соответственно к сигнальным входам прибора Вх.1, Вх.2, Вх3. В качестве датчиков уровня могут быть использованы: - кондуктометрические зонды; - активные датчики с выходными ключами N-P-N типа; - механические контактные устройства. Кондуктометрические зонды применяются для контроля уровня жидкостей обладающих свойствами электрической проводимости. К таким жидкостям относятся растворы кислот и щелочей, расплавленные металлы, вода и водные растворы солей, пищевые продукты, молоко и т.п. Кондуктометрические зонды в простейшем случае представляют собой изолированные друг от друга металлические электроды, выполненные из не коррозирующего материала. Один из электродов является общим для всей схемы контроля. Он устанавливается в резервуаре так, чтобы рабочая часть электрода находилась в постоянном контакте с жидкостью во всем диапазоне контроля (от нижнего уровня до верхнего включительно). Подключается этот электрод к контакту прибора "общий".
Примечание. При контроле уровня в металлическом резервуаре его корпус может быть использован в качестве общего электрода. Остальные электроды являются сигнальными. Они располагаются на соответствующих своему назначению уровнях и подключаются к сигнальным входам Вх.1, Вх.2, Вх.3 прибора.
Примеры установки кондуктометрических зондов на объектах представлены на рис.2. По мере заполнения резервуара при соприкосновении электродов с жидкостью происходит замыкание (через сопротивление жидкости) электрических цепей между общим и соответствующими сигнальными входами прибора, фиксируемое входными устройствами как достижение заданных уровней. ВНИМАНИЕ! Кондуктометрический способ контроля может оказаться неэффективным, если жидкость содержит в себе суспензии или эмульсию, которые при эксплуатации могут привести к изоляции электродов датчиков. В ряде случаев для контроля уровня могут быть использованы активные датчики (емкостные, индуктивные, оптические и т.п.) с выходными ключами N-P-N типа. Датчики этого типа преобразуют происходящие под влиянием внешних факторов изменения соответствующих входных параметров(индуктивности емкости и т.п.) в скачкообразное изменение проводимости их выходных транзисторных ключей. Для нормальной работы прибора САУ-М7Е выходные ключи датчиков должны (при достижении веществом контролируемого уровня) переключаться из закрытого состояния в открытое. Этому требованию удовлетворяют, например, бесконтактные емкостные выключатели ЕДП-18М-NS-Р-ЕО (или ЕДП-ЗОМ-NS-Р-ЕО) которые могут быть использованы для контроля уровня, различных веществ, в том числе диэлектрических жидкостей, а также порошкообразных или сыпучих материалов. Срабатывание этих устройств происходит из-за изменения их входной электрической емкости при появлении в активной области датчика контролируемого вещества. При срабатывании датчика (через его выходной ключ) происходит замыкание электрической цепи между соответствующим сигнальным входом прибора и общей точкой схемы (минус 12В), что и фиксируется, как достижение заданного уровня. При использовании емкостных выключателей следует иметь в виду, что в соответствии с технической документацией на эти устройства, расстояние срабатывания от активной зоны датчика до контролируемого объекта определяется: для металлов – в основном расстоянием до плоскости металла; для диэлектриков - величиной диэлектрической постоянной вещества ε и его толщиной (при увеличении ε - расстояние срабатывания возрастает). Это обстоятельство позволяет контролировать наличие жидких и сыпучих продуктов в зоне действия датчика без прямого контакта с ними - через диэлектрическую стенку, что особенно важно при работе с агрессивными веществами. Питание активных датчиков осуществляется от встроенного в прибор источника постоянного тока напряжением 12 В или от внешнего блока питания. К прибору также могут быть подключены датчики, выходным сигналом которых при достижении заданного уровня является замыкание механических контактов. При срабатывании датчика (через его выходные контакты) происходит замыкание электрической цепи между общей точкой схемы и соответствующим сигнальным входом, что и фиксируется прибором как достижение заданного уровня. Такие датчики могут применяться в устройствах поплавкового типа для контроля уровня различных по физико-химическому составу жидкостей. Для обработки сигналов датчиков в схеме предусмотрены три входных пороговых устройства (компаратора), выполненные на операционных усилителях ОУ1.. .ОУЗ. Каждый из компараторов сравнивает напряжение сигнала поступающего на его вход (Uвх.) с напряжением опорного источника (Uопор.) и при выполнении условия Uвх< Uопор переключается в состояние соответствующее достижению заданного уровня. Изменение входного сигнала, обеспечивающее выполнение условия Uвх< Uопор, происходит при срабатывании соответствующего датчика уровня, который замыкает вход компаратора (напрямую или через сопротивление элементов датчика) с общей точкой схемы. В приборе предусмотрена ступенчатая регулировка напряжения Uопор позволяющая изменять чувствительность компараторов и при использовании для контроля уровня кондуктометрических датчиков настраивать прибор на работу с различными по степени электропроводности жидкостями. Изменение напряжения Uопор. производится при помощи коммутатора КЗ. Для визуального контроля уровня вещества в резервуаре к выходам компараторов подключены светодиоды, сигнализирующие о срабатывании соответствующих датчиков. Для управления технологическим оборудованием прибор оснащен двумя встроенными электромагнитными реле. Первое реле (ВЕРХ) служит для формирования аварийного сигнала в случае превышения контролируемым веществом предельного верхнего уровня. Это реле управляется по сигналам компаратора ОУ3 и включается при замыкании датчика верхнего уровня. Контакты реле могут быть использованы как для включения внешней сигнализации, так и для ввода в действие дополнительных технических средств, предотвращающих развитие аварии. Второе реле (РАБОТА) предназначено для управления электроприводом исполнительного механизма (электрического насоса, электромагнитного клапана и т.п.), выполняющего в системе функции регулятора уровня. Работой этого реле управляет блок логики по сигналам компараторов ОУ1 и ОУ2 (от датчиков нижнего и промежуточного уровней) или по командам от кнопок ручного управления. Управление может осуществляться как в ручном, так и в автоматическом режиме. В ручном режиме управление реле РАБОТА производится по командам от кнопок ПУСК и СТОП независимо от состояния датчиков. При необходимости действие кнопок ручного управления может быть заблокировано при помощи коммутатора К4. В автоматическом режиме управление реле РАБОТА осуществляется по сигналам датчиков уровней в соответствии с заданным пользователем алгоритмом работы регулятора. Алгоритм работы задается при помощи коммутатора К2, исходя из способа, которым регулятор должен осуществлять поддержание уровня: заполнение резервуара или его опорожнение. Пользователь имеет возможность задать один из ниже перечисленных алгоритмов (режимов) работы регулятора. 1) Заполнение резервуара по гистерезисному закону. Режим используется в случаях, когда регулятор должен поддерживать заданный уровень в резервуаре путем подпитки его от внешнего источника. В этом режиме реле РАБОТА, управляющее регулятором включается после размыкания датчика нижнего уровня, а выключается только при замыкании датчика промежуточного уровня.
Наличие зоны гистерезиса между точками включения и выключения регулятора обеспечивает уверенное (без "дребезга") срабатывание пусковых коммутационных устройств и экономичный режим работы регулятора. Временная диаграмма работы выходных реле
прибора в этом режиме представлена на рис. 3. 2) Опорожнение резервуара по гистерезисному закону. Данный режим работы используется в случаях, когда регулятор должен поддерживать заданный уровень посредством отбора рабочего вещества из резервуара. В этом режиме реле РАБОТА включается после замыкания датчика промежуточного уровня, а выключается только при размыкании датчика нижнего уровня. Временная диаграмма работы выходных реле прибора в этом режиме представлена на рис.4.
3) Заполнение резервуара без гистерезиса. Данный режим работы используется в случаях, когда регулятор должен поддерживать заданный уровень путем подпитки резервуара, но гистерезиса между точками его включения и выключения по каким-либо причинам не требуется.
В этом режиме реле РАБОТА включается после размыкания датчика нижнего уровня, а выключается при его замыкании. 4) Опорожнение резервуара без гистерезиса. Данный режим работы используется в случаях, когда регулятор
должен поддерживать заданный уровень посредством
отбора рабочего вещества из резервуара, но гистерезиса между точками его включения и выключения по каким либо причинам не требуется. В этом режиме реле РАБОТА включается после замыкания датчика нижнего уровня, а выключается при его размыкании. На лицевой панели прибора располагаются светодиодные индикаторы: - СЕТЬ (зеленый), сигнализирующий о наличии сетевого напряжения на приборе и исправности его встроенного блока питания, - УРОВЕНЬ (красные) - три светодиода сигнализирующих соответственно о замыкании датчиков нижнего, промежуточного и верхнего уровней; - РАБОТА (зеленый), сигнализирующий о включении в работу реле управляющего регулятором уровня; - АВТ. (зеленый), сигнализирующий о работе регулятора в автоматическом режиме, т.е. по сигналам от датчиков уровня, - АВАРИЯ (красный), сигнализирующий (мигающей засветкой) о возникновении в системе одного из вариантов аварийной ситуации: размыкание датчика нижнего уровня или замыкание датчика верхнего уровня. Вариант аварийной ситуации задается пользователем на коммутаторе К1. При необходимости с помощью того же коммутатора аварийная сигнализация может быть отключена. 2.3 Компараторы. Компаратор предназначен для сравнения аналоговых сигналов: один из них называется опорным, а другой – измеряемым или входным. В момент равенства сигналов напряжение на выходе компаратора резко изменяется. Обычно после компаратора включается цифровой элемент, на вход которого следует подавать напряжения только двух уровней: один соответствует логической единице, а другой – логическому нулю. Поэтому напряжения на выходе компаратора должны принимать эти значения. Наличие двух входов и большой коэффициент усиления ИМС ОУ позволяют построить компаратор на ее основе. На рис.5, а приведена схема компаратора для сравнения однополярных сигналов. Полярность uвых определяется большим из напряжений Uоп и uх: uвых = K(Uоп – uх), (2.17)
Статическая характеристика компаратора uвых = f(t) (рис.5, б), данная пунктиром, соответствует идеальному компаратору (считается, что переключение uвых происходит мгновенно в момент равенства uх и Uоп), а сплошная линия - реальному компаратору: переключение начинается с некоторым запаздыванием относительно t1 и t2 и длится определенное время. Заметим, что если в схеме (рис.5, а) Uоп = 0, то компаратор переключается при uх » 0 и называется детектором нулевого уровня. Соответственно схему (рис.5, а) при Uоп # 0 называют детектором ненулевого уровня.
Рис.6 Напряжение на открытом диоде порядка 0,7 В. Поэтому напряжение на выходе (рис.6, б) при данных, указанных на рис.6, а, не может быть выше 3,7 В (когда uвых > 0 и открыт диод VD1) и ниже – 0,7 В (когда uвых < 0 и открыт диод VD2).
На рис.7, а приведена схема компаратора для сравнения разнополярных напряжений, которые подаются на один инвертирующий вход. Потенциал не инвертирующего входа U(+) = 0. Если R1 = R2, то U(–) = 0 при равенстве абсолютных значений uх и Uоп. В тот момент, когда они сравняются, U(–) станет равным U(+) и идеальный компаратор переключится из одного состояния в другое (рис.7, б). Приведенные схемы отличаются низкой помехозащищенностью: компаратор может переключаться под влиянием помехи, которая накладывается на полезный сигнал. Это ложное срабатывание особенно возможно при малой скорости изменения сигнала, когда результирующее напряжение (сигнал + помеха) успевает несколько раз пересечь уровень Uоп в то время как сигнал uх еще мало от него отличается. Указанный недостаток устраняется в так называемом регенеративном компараторе (рис.8, а), в котором резисторами R4, R2 введена положительная обратная связь. В данном случае напряжение U(+) равно сумме напряжений Uоп и напряжения обратной связи, выделяющегося на резисторе R2.
Когда u’вых = Uнас(+), напряжение на входе (+) ИМС u+ = Uоп + Uоc (назовем его напряжением срабатывания Ucр); когда u’вых = Uнас(–), то u+ = Uоп - Uоc (назовем его напряжением отпускания Uотп). До поступления uх напряжение uвых за счет Uоп равно Uнас(+). Поэтому переключение компаратора может наступить только тогда, когда uх превысит Ucр. При этом напряжение на выходе изменится от уровня логической 1 до уровня логического 0 (рис.8, б). Теперь u’вых = Uнас(–) и переключение компаратора может осуществиться, когда uх будет ниже Uотп. При этом напряжение на выходе изменится от уровня логического 0 до уровня логической 1. Если амплитуда помехи меньше разности Uср – Uотп , то ложного срабатывания происходить не будет. За счет положительной обратной связи компаратор (рис.8, а) обладает гистерезисом: переходы uвых от одного уровня к другому происходят при разных входных напряжениях (Uср и Uотп) На рис.8, в приведена гистерезисная кривая u’вых = f(uх). При увеличении сигнала uх переключение u’вых происходит при uх = Uср, а при уменьшении сигнала — при uх = Uотп. Чтобы гистерезисная кривая была симметрична относительно опорного напряжения Uоп, верхний и нижний пороги выходного напряжения должны быть одинаковы по значению. Поэтому в схеме рис.8, а цепь положительной обратной связи подключается к выходу ИМС ОУ до узла, ограничивающего uвых на уровнях U1вых и U0вых т. е. к напряжениям Uнас(+) или Uнас(–), абсолютные значения которых принимаются равными. Отметим, что положительная обратная связь повышает скорость переключения компаратора. Действительно, если uвых, к примеру, уменьшается, то уменьшается и напряжение на входе (+), что приводит к дополнительному уменьшению uвых. Наряду с этим точность сравнения входных напряжений уменьшается: компаратор переключается при Uср не равно Uon и Uотп не равно Uon. Расчет маломощных трансформаторов напряжения 5.3 Расчёт блока питанияБлок питания состоит из силового трансформатора, выпрямителя со сглаживающим фильтром и стабилизатора. Так как ОУ малочувствителен к изменению напряжения питания, что показал предыдущий расчёт, то стабилизатор можно было бы и не ставить. Однако, для освоения методики расчёта стабилизированных источников питания введём в схему блока питания простейший параметрический стабилизатор на кремниевом стабилитроне. Расчёт блока питания ведётся «от конца к началу», то есть сначала рассчитывается стабилизатор, обеспечивающий требуемое напряжение Uн на нагрузке и её ток Iн, затем выпрямитель со сглаживающим фильтром, обеспечивающим требуемые параметры, включая и коэффициент пульсаций p0%. На последнем этапе рассчитываются параметры силового трансформатора, необходимого для питания выпрямителя, и на основании расчёта выбирается тип стандартного силового трансформатора ТПП. Прежде всего необходимо определить требуемое напряжение питания. Для каждого ОУ указывается диапазон напряжения питания, при котором он нормально работает, не искажая усиленный сигнал, например, 3-15 В. В этом диапазоне нужно выбрать наименьшее возможное Uпит для того, чтобы блок питания был экономичным. Например, если ОУ должен обеспечить на выходе 3В эффективного напряжения, его Uпит должно быть не менее 3√2≈4,2В. Практически в этом случае Uпит=5В, при меньшем Uпит выходной сигнал будет «обрезан».
Расчета торройдного трансформатора Дано: напряжение питающей сети Uc=220 В, - выходное напряжение Uн=12 В, Iн=8 А. - ток нагрузки 1. Определяют мощность вторичной обмотки =12 х 8=96 Вт. 2. Определяют габаритную мощность трансформатора
Величину к.п.д. и другие необходимые для расчета данные выбирают по таблице из нужной графы ряда габаритных мощностей. 3. Находят площадь сечения сердечника
4. Подбирают размеры сердечника Dc, dc и hc
Ближайший стандартный тип сердечника – ОЛ20/16, площадь сечения которого равна S=5 см2 (не менее расчетной). 5. При определении внутреннего диаметра сердечника должно быть выполнено условие: dc=10 должно быть больше или равно dc` то есть 10>5.3
6. Предположим, что выбран сердечник из стали Э320, тогда число витков на вольт определяют по формуле:
7. Находят расчетные числа витков первичной и вторичной обмоток
Так как в тороидальных трансформаторах магнитный поток рассеяния весьма мал, то падение напряжения в обмотках определяется практически лишь их активным сопротивлением, вследствие чего относительная величина падения напряжения в обмотках тороидального трансформатора значительно меньше, чем в трансформаторах стержневого и броневого типов. Поэтому для компенсации потерь на сопротивлении вторичной обмотки необходимо увеличить количество ее витков лишь на 3%.
8. Определяют диаметры проводов обмоток
где - ток первичной обмотки трансформатора, определяемый из формулы:
В итоге получаем диаметры проводов на обмотках:
Похожие статьи:
|
|