СКАЧАТЬ:   signalizator-urovnya-ultrazvukovoy-sur-3.zip [32,94 Kb] (cкачиваний: 49)

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«Технические средства автоматизации»

на тему:

«Сигнализатор уровня ультразвуковой  СУР-3»

Используемые сокращения

БП    - блок питания;

ДПУ - датчик положения уровня;

ИПД - источник питания датчика;

К       - катушка  возбуждения;

КОМП - компаратор;

ЛП    - линейка переключателей;

МК   - микроконтроллер;

ПВС - преобразователь вторичный сигнализатора;

ПП    - первичный преобразователь;

ПСТ  - параметрический стабилизатор;

ПУЭ - правила устройства электроустановок;

ПЭ    - пьезоэлемент;

ТКЛ  - токовый ключ;

УФ    - усилитель-формирователь;

ЧЭ    - чувствительный элемент;

ЯПР  - ячейка преобразования;

ДПУ - датчик положения уровня;
Содержание

Введение

 Развитие науки, управление технологическими процессами немыслимы без получения количественной информации о тех или иных свойствах физических объектов.

         Измерение представляет собой информационный процесс, результатом которого является получение измерительной информации, т.е. количественной информации об измеряемых величинах.

         Все средства измерений определяются как технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

         По характеру участия в процессе измерения все средства можно разделить на четыре основные группы: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные системы.

         Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины одного размера.

         Измерительный преобразователь – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

         Информационно-измерительные системы – это совокупность технических средств в блочно модульном исполнении, объединенных общим алгоритмом функционирования, предназначенная для получения измерительной информации непосредственно от объекта, её преобразования, передачи, хранения, обработки и выдачи в виде, удобном для восприятия оператором или ввода в систему автоматического управления.

         Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Таким образом в отличие от измерительного преобразователя измерительный прибор всегда имеет

устройство, позволяющее человеку воспринимать информацию о числовом значении измеряемой величины.

         Все измерительные приборы могут быть разделены на аналоговые и цифровые. В аналоговом измерительном приборе показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Цифровой измерительный прибор автоматически вырабатывает дискретные сигналы измерительной информации, а его показания представлены в цифровой форме.

         В зависимости от выполняемых функций различают: показывающие измерительные приборы, допускающие только отсчитывание показаний; регистрирующие измерительные приборы, в которых предусмотрена регистрация показаний; самопишущие измерительные приборы, в которых регистрация показаний осуществляется путем записи в форме диаграмм. Измерительный прибор может содержать узлы или элементы для выполнения регулирования, сигнализации и т.п. В этом случае его называют регулирующим измерительным прибором, сигнализирующим измерительным прибором.

         В данной курсовой работе рассматривается измерительный прибор – сигнализатор уровня ультразвуковой  СУР-3. Рассматриваются его назначение, технические данные, состав, устройство и работа.

1.Теоретическая часть

1.1.Назначение прибора СУР-3

Прибор предназначен для контроля положения уровня различных жидких продуктов в двух точках технологических емкостей и управления производственными агрегатами и установками.

Прибор состоит из двух частей:

• вторичный преобразователь ПВС2М;
• датчик положения уровня ДПУ3 или ДПУ3М.

Датчик предназначен для контроля положения уровня жидкости в двух точках посредством определения положения поплавка, скользящего по чувствительному элементу датчика. Датчик подключается к ПВС2М с помощью четырехпроводного экранированного кабеля.

ПВС2М предназначен для искробезопасного питания подключенного к нему датчика и обработки его сигналов, индикации положений уровня жидкости и выдачи управляющих сигналов.

Прибор индицирует положение уровня жидкости по первому и второму предельным уровням с помощью светодиодных индикаторов.

Прибор имеет четыре оптоэлектронных ключа типа “сухой контакт” (по два на каждый предельный уровень), предназначенных для подключения к внешним устройствам сигнализации предельного уровня и автоматики. Начальные состояния ключей и вид индикации задаются пользователем.

Условия эксплуатации и степень защиты составных частей прибора

Датчик положения уровня ДПУ3 (ДПУ3М)

Номинальные значения климатических факторов - согласно ГОСТ 15150 для вида климатического исполнения ОМ1,5, но при этом значения следующих факторов устанавливают равными:

• рабочая температура внешней среды от минус 45 до +75 °С;
• влажность воздуха 100 % при +35 °С (категория 5 исполнения ОМ);
• пределы изменения атмосферного давления от 84 до 106,7 кПа;

Степень защиты IP68 по ГОСТ 14254 (пыленепроницаемость и защита при длительном погружении в воду).

Вторичный преобразователь ПВС2М. Номинальные значения климатических факторов - согласно ГОСТ 15150 для вида климатического исполнения УХЛ4, тип атмосферы II (промышленная).

Степень защиты оболочки ПВС2М IP50 по ГОСТ 14254 (защита от пыли).

Датчик соответствует требованиям ГОСТ Р 51330.0, ГОСТ Р 51330.10, имеет вид взрывозащиты “Искробезопасная  электрическая  цепь”, уровень взрывозащиты “Взрывобезопасный” для взрывоопасных смесей категории IIB по ГОСТ Р 51330.11 температурного класса T5 по ГОСТ Р 51330.0, маркировку взрывозащиты “1ExibIIBT5 в комплекте СУР-3” и может применяться во взрывоопасных зонах согласно требованиям главы 7.3 ПУЭ (шестое издание) и других нормативно-технических документов, регламентирующих применение электрооборудования во взрывоопасных зонах.

ПВС2М имеет для выходных цепей вид взрывозащиты “Искробезопасная электрическая цепь”, уровень взрывозащиты “Взрывобезопасный” для взрывоопасных смесей категории IIB, параметры искробезопасных выходов UО£12 B, IО£80 мА и устанавливается вне взрывоопасных зон помещений и наружной установки.

1.2.Технические характеристики

Предельные параметры контролируемой среды:

• рабочее избыточное давление датчика ДПУ3, не более 2,0 МПа;
• рабочее избыточное давление датчика ДПУ3М,  не более  0,15 МПа;
• рабочая температура, от минус 45 до +65 °С;
• плотность жидкости, от 500 до 1500 кг/м3.

Вязкость не ограничивается при отсутствии застывания контролируемой среды на элементах конструкции датчика и отсутствии отложений на датчике, препятствующих перемещению поплавка. Стойкость датчика к агрессивным средам ограничена применяемыми материалами, контактирующими с контролируемой средой: нержавеющая сталь 12Х18Н10Т и фторопласт-4.

Максимальная длина чувствительного элемента датчика равна 4 м при комплектации прибора датчиком ДПУ3 с жестким чувствительным элементом и 16 м при комплектации датчиком ДПУ3М с гибким чувствительным элементом. Минимальная длина чувствительного элемента датчиков ДПУ3 и ДПУ3М равна 1,5 м.

Верхний не измеряемый уровень не более 0,24 м. Нижний не измеряемый уровень не более (0,03+HПОГР), м, при комплектации датчиком ДПУ3, при комплектации датчиком ДПУ3М - не более (0,1+HПОГР), м. HПОГР - глубина погружения поплавка, м.

Дискретность задания уровней срабатывания SС, м, прибора в зависимости от длины чувствительного элемента датчика приведена в таблице 1.

Дискретность задания уровней:

Таблица 1

Срабатывание прибора происходит с гистерезисом от 0,02 до 0,03 м.

Пределы допускаемой абсолютной погрешности контроля уровня равны ±0,5×SС, м. Тип поплавка датчика задается при заказе. Габаритные размеры поплавков типа II и IV соответствуют приложению В.  Плотность поплавка типа II составляет от 360 до 440 кг/м3, а поплавка типа IV от 550 до 650 кг/м3. Поплавок типа IV заказывается для жидкостей с плотностью не менее 650 кг/м3.

Электрические параметры и характеристики

Питание прибора осуществляется от сети переменного тока напряжением от 180 до 242 В, частотой (50 ± 1) Гц. Мощность, потребляемая прибором от сети при номинальном напряжении, не превышает 15 В×А. По степени защиты от поражения электрическим током прибор относится к классу защиты I в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.007.0.

Электрическая изоляция между корпусом ПВС2М и сетью ~220 В, 50 Гц выдерживает без пробоя и поверхностного перекрытия испытательное напряжение ~1500 В, 50 Гц в нормальных условиях применения. Электрическая изоляция между выходными искробезопасными цепями ПВС2М и его корпусом выдерживает напряжение ~500 В, 50 Гц без пробоя и поверхностного перекрытия в нормальных условиях применения.

гибкий экран, покрытый слоем фторопластовой изоляции. Так образуется гибкий ЧЭ.Электрическая изоляция между цепями ключей сигнализации и корпусом ПВС2М выдерживает испытательное напряжение ~500 В, 50 Гц без пробоя и поверхностного перекрытия в нормальных условиях применения.

Сопротивление изоляции цепи сети питания прибора относительно металлических частей корпуса ПВС2М не менее 20 МОм в нормальных условиях применения. Время установления рабочего режима не более 30 с. Прибор предназначен для непрерывной работы.

Предельные параметры ключей прибора на активной нагрузке:

• коммутируемое напряжение постоянного или переменного тока не более 250 В;
• допустимый ток коммутации ключа не более 1 А;
• сопротивление ключа в замкнутом состоянии не более 1,6 Ом.
• Начальные состояния ключей задаются потребителем.

Связь с датчиком осуществляется с помощью экранированного четырехпроводного кабеля. Нормальное функционирование прибора обеспечивается при длине соединительного кабеля между датчиком и ПВС2М не более 1,5 км.

1.3.Устройство и принцип работы

Измерение уровня продукта основано на измерении времени распространения в стальной проволоке короткого импульса упругой деформации. По всей длине проволоки намотана катушка, в которой протекает импульс тока, создавая магнитное поле. В месте расположения поплавка с постоянным магнитом, скользящего вдоль проволоки, в ней под действием магнитострикционного эффекта возникает импульс продольной деформации, который распространяется по проволоке и фиксируется пьезоэлементом, закрепленным на ней.

Измерение времени, прошедшего с момента формирования импульса тока до момента приема сигнала от пьезодатчика, позволяет вычислить расстояние до местоположения поплавка, определяемого положением уровня жидкости, и сравнить его с двумя программируемыми уставками срабатывания прибора. Значения уставок выбираются пользователем на плате датчика с помощью линейки переключателей.

Прибор состоит из датчика положения уровня ДПУ3 или ДПУ3М, устанавливаемого на контролируемых емкостях, и вторичного прибора - ПВС2М, располагаемого в операторных.

Датчик ДПУ3 (ДПУ3М) состоит из трех частей:

• чувствительного элемента (ЧЭ);
• поплавка, скользящего вдоль продетого сквозь него ЧЭ;
• первичного преобразователя (ПП), включающего ячейку преобразования ЯПР9 и пьезокерамический элемент.

ЧЭ включает в себя стальную проволоку, свободно размещенную в диэлектрической трубке, на которую намотана катушка индуктивности. В датчике ДПУ3 эта катушка с сердечником помещена в глухой металлический корпус из нержавеющей трубы, на которую надета фторопластовая оболочка для уменьшения трения при скольжении поплавка. В датчике ДПУ3М эта катушка возбуждения со стальным сердечником помещена в металлический

Поплавок датчика представляет собой сферу диаметром 122,6 мм, выполненную из нержавеющей стали. Плотность сферического поплавка составляет (400±40) кг/м3. По специальному заказу датчик может комплектоваться овоидным поплавком диаметром 86,6 мм и плотностью (600±50) кг/м3.

ПП представляет собой электронный узел, выполняющий следующие функции:

• генерацию импульсов возбуждения;
• фильтрацию, усиление и детектирование ответного сигнала;
• частотную модуляцию линий питания для индикации состояний каналов измерений.

Пока поплавок датчика, положение которого определяется уровнем жидкости, находится ниже программируемой уставки, микроконтроллер датчика модулирует соответствующую цепь питания датчика сигналом частотой 125 Гц. Когда уровень жидкости, а вместе с ним и поплавок датчика, оказывается выше положения программируемой уставки, частота модуляции соответствующей цепи питания датчика уменьшается до 15 Гц.

ПП имеет литой корпус с крышкой и кабельным сальниковым вводом, снабженным хомутом для закрепления гибкой защитной оболочки кабеля (например, металлорукава). Кроме того, на корпусе ПП имеется болт защитного заземления. Внутри корпуса расположена электронная плата преобразователя. На плате имеется клеммный соединитель для подключения внешнего кабеля.

На печатной плате ЯПР9 расположены два (по одному на каждый канал) светодиодных индикатора, позволяющих определить состояние каналов датчика непосредственно на месте установки. Отсутствие свечения индикатора указывает на обрыв связи с ПВС2М, либо отказ датчика. Поскольку управляющий работой индикатора импульсный сигнал по частоте соответствует текущему состоянию канала датчика, равномерное мигание

индикатора с частотой 15 Гц указывает на то, что канал датчика находится в состоянии “залит”, а равномерное свечение (неразличимое для глаз мигание с частотой 125 Гц) означает, что канал датчика находится в состоянии “сухой”.

Для установки на вваренную в люк или фланец резервуара втулку из комплекта поставки датчик имеет штуцер с резьбой под накидную гайку. Герметизация осуществляется установкой прокладки (из комплекта датчика), изготовленной из алюминия, между установочной втулкой и буртиком штуцера.

ПВС2М представляет собой цифровой блок на основе микроконтроллера PIC16C711 и выполняет функции питания датчика искробезопасным напряжением, контроля его сигналов, индикации и управления внешними устройствами. ПВС2М имеет в своем составе два узла: корпус и блок комбинированный, включающий панель заднюю и плату ПВС2М с блоком питания БП3.

Блок питания БП3 вырабатывает напряжения, необходимые для работы всех остальных узлов ПВС2М. Для крепления блока питания к плате ПВС2М используются две пластмассовые защелки и две медные втулки для электрического соединения платы с корпусом ПВС2М.

Плата ПВС2М содержит в своем составе источник искробезопасного питания датчика и является центральным узлом прибора. В ее задачи входит осуществление опроса датчика, индикация его состояния и формирование дискретных управляющих сигналов. Плата ПВС2М крепится к задней панели.

Корпус ПВС2М обеспечивает защиту его узлов от проникновения пыли. На передней панели ПВС2М имеются прозрачные окна, через которые видно состояние светодиодных индикаторов.

На задней панели ПВС2М расположены разъемы для подключения датчика и устройств сигнализации, кабель питания и выключатель “Сеть”. Защитное заземление корпуса прибора осуществляется через клемму заземления.

 Датчик положения уровня ДПУ3 (ДПУ3М) содержит следующие узлы и элементы:

• пьезоэлемент (ПЭ);
• катушка возбуждения (К);
• усилитель-формирователь (УФ);
• компаратор (КОМП);
• микроконтроллер (МК);
• токовый ключ 1 (ТКЛ1);
• токовый ключ 2 (ТКЛ2);
• параметрический стабилизатор (ПСТ);
• линейка переключателей (ЛП).

Работа датчика производится по следующему алгоритму:

Микроконтроллер (МК) выдает импульс тока в катушку чувствительного элемента (К) датчика. Под действием магнитного поля магнитов поплавков и импульса тока в катушке в стальной проволоке - звуководе датчика - возникают ультразвуковые импульсы, которые, распространяясь по проволоке, достигают пьезоэлемента датчика (ПЭ).

ПЭ преобразует механическое колебание проволоки в электрический импульс. Аналоговый импульс с ПЭ усиливается УФ. Выделить импульс с ПЭ с высокой точностью в заданном температурном диапазоне работы электронной схемы датчика позволяет компаратор (КОМП). МК вычисляет и сохраняет в своей памяти время, прошедшее между импульсом тока в катушке и сигналами с КОМП. Измеренный интервал времени МК последовательно сравнивается с двумя значениями уставок срабатывания прибора, которые задаются индивидуально с помощью линейки переключателей (ЛП). Если измеренный интервал времени меньше значения уставки 1 (уставки 2), то МК замыкает ТКЛ1 (ТКЛ2) с частотой 15 Гц, в противном случае МК замыкает ТКЛ1 (ТКЛ2) с частотой 125 Гц. По значению частоты модуляции линии связи ТКЛ1 (ТКЛ2) ПВС2М определяет состояние датчика по каналу 1 (каналу 2).

ПСТ обеспечивает питание стабилизированным напряжением всех узлов схемы.

Вторичный преобразователь ПВС2М включает в свой состав одну электронную плату, которая обеспечивает искробезопасное питание датчика, обработку сигналов, поступающих с датчика, индикацию состояния датчика и сигнализацию.

Плата содержит:

• блок питания БП3;
• источник питания датчика (ИПД);
• схему обработки сигналов датчика и управления сигнализацией и ключами, построенную на микроконтроллере PIC16C711;
• светодиодные индикаторы, сигнализирующие о включении прибора в сеть и положении уровней жидкости;
• четыре оптоэлектронных ключа (по два на канал измерений).

Рис.1. Функциональная схема датчика СУР-3

Расчетная часть