Расходомер на основе электромагнитного датчика расхода

Московский Государственный  Открытый Университет

 

Факультет: КиИТ   Кафедра: ИСИИТ

Специальность: ИИТ

 

 

Задание

 

На  курсовой проект Чупрунову Денису Владимировичу (Ф.И.О.)

шифр 609332

1.Тема работы: расходомер на основе электромагнитного датчика расхода

2.Исходные данные: разработать расходомер жидкости (газа) для металлургической промышленности на основе микроконтроллера

3.Содержание пояснительной записки: 1)введение 2) обзор методов решения поставленной задачи 3) разработка функциональной схемы прибора 4) разработка принципиальной схемы устройства 5) разработка ПО 6) заключение 7) литература

4.Перечень графического материала: 1) схема электрическая структурная  2) схемы электрические принципиальные

5.Дата выдачи задания:_______________________________________

6.Срок сдачи проекта:________________________________________

 

 

Задание выдал  Ткачева Т.А.        _________________

                                                                                         (подпись)

 

Задание принял Чупрунов Д.В.        ________________

                                                                                         (подпись)

 

 

Содержание

              введение

1. обзор методов решения поставленной задачи
2. разработка функциональной схемы прибора
3. разработка принципиальной схемы устройства
4. разработка ПО
5. заключение
6. литература

 

 

Введение

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.

Уровень является одним  из важных параметров в ряде технологических  процессов. 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.

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. 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.

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

Измерение уровня жидкости играет важную роль при автоматизации  технологических процессов.

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.

 

 

1. Обзор методов решения поставленной технической задачи.

Измерение расхода жидкостей, газов, паров.

Наиболее широко применяющиеся  приборы для измерения веществ, протекающие по трубопроводам, можно разделить на следующие группы: расходомеры переменного перепада давления, расходомеры постоянного перепада давления, электромагнитные расходомеры, счётчики, другие.

Расходомеры переменного  перепада давления

Расходомеры переменного перепада давления основаны на зависимости от расхода перепада давления , создаваемого устройством , которое установлено  в трубопроводе , или же самим элементом последнего.

В состав расходомера входят: преобразователь  расхода, создающий перепад давления ; дифференциальный манометр, измеряющий этот перепад и соединительные (импульсные) трубки между преобразователем и дифманометром. При необходимости передать показания расходомера на значительное расстояние к указанным трём элементам добавляются ещё вторичный преобразователь , преобразующий перемещение подвижного элемента дифманометра в электрический и пневматический сигнал , который по линии связи передаются к вторичному измерительному прибору. Если первичный дифманометр (или вторичный измерительный прибор) имеет интегратор , то прибор измеряет не только расход , но и количество прошедшего вещества.

В зависимости от принципа действия преобразователя расхода данные расходомеры делятся на шесть самостоятельных групп :

- расходомеры с сужающими устройствами;

- расходомеры с гидравлическим  сопротивлением;

- центробежные расходомеры;

- расходомеры с напорным устройством;

- расходомеры с напорным усилителем;

- расходомеры ударно-струйные.

Рассмотрим подробнее расходомеры с сужающим устройством, так как они получили наибольшее распространение в качестве основных промышленных приборов для измерения расхода жидкости, газа и пара. Они основаны на зависимости от расхода перепада давления, создаваемого сужающим устройством, в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую.

Имеется много разновидностей сужающих устройств. Так на рисунке 1.1 а и б показаны стандартные диафрагмы , на рисунке 1.1 в – стандартное сопло, на рисунке 1.1 г, д, е – диафрагмы для измерения загрязнённых веществ – сегментная, эксцентрическая и кольцевая. На следующих семи позициях рисунка 1.1 показаны сужающие устройства, применяемые при малых числах Рейнольдса (для веществ с большой вязкостью); так, на рисунке 1.1 ж, з, и, изображены диафрагмы – двойная, с входным конусом , с двойным конусом, а на рисунке 1.1 к, л, м, н –сопла-полукруга , четверть круга ,комбинированное и цилиндрическое.

 

Рисунок 1.1-Разновидности сужающих устройств.

 

На рисунке 1.1 о изображена диафрагма  с переменной площадью отверстия, автоматически компенсирующая влияние изменения давления и температуры вещества. На рисунке 1.1 н, р, с, т приведены расходомерные трубы – труба Вентури, сопло Вентури, труба Далла и сопло Вентури с двойным сужением. Для них характерна очень маленькая потеря давления.

Разность давлений до и после  сужающего устройства измеряется дифманометром. В качестве примера рассмотрим принцип действия прибора 13ДД.

Принцип действия преобразователей разности давлений 13ДД основан на пневматической силовой компенсации. Схема прибора представлена на рисунке 1.2. В плюсовую 2 и минусовую 6 полости преобразователя , образованные фланцами 1,7 и мембранами 3,5, подводиться давление. Измеряемый перепад давления воздействует на мембраны , приваренные к основанию 4. Внутренняя полость между мембранами заполнена кремниорганической жидкостью.

Рисунок 1.2-Схема прибора 13ДД.

 

 

Под давления воздействием мембраны поворачивают рычаг 8 на небольшой угол относительно опоры –упругой мембраны вывод 9. Заслонка 11 перемещается относительно сопла 12, питаемого сжатым воздухом. При этом сигнал в линии сопла управляет давлением в усилителе 13 и в сильфоне отрицательной обратной связи 14. Последний создает момент на рычаге 8, компенсирующий момент, возникающий от перепада давления. Сигнал, поступающий в сильфон 14, пропорциональный измеряемому перепаду давления, одновременно направляется в выходную линию преобразователя. Пружина корректора нуля 10 позволяет устанавливать начальное значение выходного сигнала , равное 0.02 МПа. Настройка преобразователя на заданный предел измерения осуществляется перемещением сильфона 14 вдоль рычага 8. Измерительные пневматические преобразователи других модификаций выполнены аналогично.

Расходомеры постоянного  перепада давления

Принцип их действия основан  на восприятии динамического напора контролируемой среды, зависящего от расхода, чувствительным элементом, помещенным в поток. В результате воздействия потока чувствительный элемент перемещается, и величина перемещения служит мерой расхода.

Приборы, работающие на этом принципе- ротаметры(См. рисунок 1.3).

Рисунок 1.3- Ротаметр

 

Поток контролируемого вещества поступает  в трубку снизу вверх и увлекает за собой поплавок, перемещая его вверх, на высоту Н. При этом увеличивается зазор между ним и стенкой конической трубки, в результате уменьшается скорость жидкости (газа) и возрастает давление над поплавком.

На поплавок действует усилие снизу  вверх:

 (1.1)

и сверху вниз (1.2)

где Р1, Р2-давление вещества на поплавок снизу и сверху; S-площадь поплавка; q- вес поплавка.

Когда поплавок находится  в состоянии равновесия G1=G2, следовательно: , (1.3)

так как q/S=const , значит :

=сonst, поэтому такие приборы называют расходомерами постоянного перепада давления.

При этом объемный расход может быть рассчитан по формуле:

 (1.4)

где Fc – площадь сечения конической трубки на высоте h, ;

F- площадь верхней торцевой поверхности поплавка, ;

р- плотность измеряемой среды, ;

с- коэффициент ,зависящий  от размеров и конструкции поплавка.

Ротаметры со стеклянной трубкой применяются только для  визуальных отсчётов расхода и лишены устройств для передачи сигнала на расстояние.

Ротаметр не следует  устанавливать в трубопроводах , подверженным сильным вибрациям. Длина  прямого участка трубопровода перед ротаметром должна быть не менее 10Ду , а после него - не менее 5Ду.

Электромагнитные расходомеры

В основе электромагнитных расходомеров лежит взаимодействие движущейся электропроводной жидкости с магнитным полем , подчиняющееся  закону электромагнитной индукции.

 

Рисунок 1.4- Электромагнитный расходомер

 

Рисунок 1.5- Промышленные электромагнитные расходомеры

Основное применение получили такие электромагнитные расходомеры , у которых измеряется ЭДС, индуктируемая в жидкости, при пересечении ею магнитного поля. Для этого (См. рисунок 1.4) в участок 2 трубопровода, изготовленного из немагнитного материала, покрытого изнутри неэлектропроводной изоляцией и помещённого между полюсами 1 и 4 магнита или электромагнита, вводятся два электрода 3 и 5 в направлении, перпендикулярном как к направлению движения жидкости, так и к направлению силовых линий магнитного поля. Разность потенциалов Е на электродах 3 и 5 определяются уравнением:

 (1.5)

где В - магнитная индукция;

D- расстояние между концами электродов , равное внутреннему диаметру трубопровода;

v и Q0- средняя скорость и объёмный расход жидкости.

Таким образом, измеряемая разность потенциалов Е прямо пропорциональна объёмному расходу Q0. Для учета краевых эффектов, вызываемых неоднородностью магнитного поля и шунтирующим действием трубы, уравнение умножается на поправочные коэффициенты км и ки, обычно весьма близкие к единице.

Достоинства электромагнитных расходомеров : независимость показаний  от вязкости и плотности измеряемого вещества, возможность применения в трубах любого диаметра, отсутствие потери давления, линейность шкалы, необходимость в меньших длинах прямых участков труб, высокое быстродействие, возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей. Но электромагнитные расходомеры неприменимы для измерения расхода газа и пара, а также жидкостей диэлектриков, таких как спирты и нефтепродукты. Они пригодны для измерения расхода жидкостей, у которых удельная электрическая проводимость не менее .

Счётчики

По принципу действия все счётчики жидкостей и газов делятся на скоростные и объёмные.

Скоростные счётчики устроены таким образом, что жидкость, протекающая через камеру прибора, приводит во вращение вертушку или крыльчатку, угловая скорость которых пропорциональна скорости потока, следовательно, и расходу.

Объёмные счетчики устроены следующим образом: поступающая на прибор жидкость (или газ) измеряется отдельными , равными по объёму дозами, которые потом суммируются .

 

2. Разработка функциональной схемы устройства

 

Датчик электромагнитного  расходомера состоит из катушки индуктивности с сердечником, создающей магнитное поле, и электродов, вмонтированных в трубу, с которых снимается полезный сигнал. Для разработки структурной схемы необходимо рассмотреть векторную диаграмму токов и напряжений датчика. Схема замещения реальной катушки индуктивности представлена на рисунке.2.1, где: