Разработка ИИс для измерения уровня жидкости с помощью кондуктометрического датчика

 

2 Сведения о кондуктометрических  датчиках

Кондуктометрия (от англ. – электропроводность и метрия) – совокупность электрохимических методов анализа, основанных на измерении электропроводности растворов. Применяется для определения концентрации растворов солей, кислот, оснований, для контроля состава некоторых промышленных растворов. Кондуктометрический анализ основан на изменении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве, он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению. Кондуктометрия включает прямые методы анализа и косвенные с применением постоянного или переменного тока, а также хронокондуктометрию, низкочастотное и высокочастотное титрование.

Кондуктометрические датчики уровня применяют для  контроля одного или нескольких предельных уровней жидкости, проводящей электрический ток. Принцип действия кондуктометрических датчиков уровня основан на разнице в электрической проводимости жидкости (вода, кислоты, щелочи) и воздуха фиксируемой стержневым чувствительным элементом – электродом.

Датчики уровня кондуктометрические бывают как одностержневыми (одноэлектродные),  так и многостержневыми (многоэлектродными) для контроля нескольких уровней жидкости.

Электропроводность  сильно зависит от физико-химических свойств растворителя и растворенного вещества – концентрации и подвижности находящихся в растворе ионов, заряда ионов, температуры и многих других факторов. Для характеристики чистых и сверхчистых вод используется величина, обратно пропорциональная проводимости – сопротивление.

Чувствительным  элементом при измерении электропроводности является кондуктометрическая ячейка, свойства которой характеризуются константной или постоянной ячейки. Конструкция классической ячейки представляет собой два параллельных измерительных электрода площадью 1 см² погруженных в раствор и расположенных на расстоянии 1 см друг от друга. Константа ячейки индивидуальна для каждого датчика и изначально определяется непосредственно на заводе-изготовителе.

На сегодняшний день производится большое количество кондуктометрических датчиков, отличающихся конструкцией, материалом электрода (нержавеющая сталь, платина, хастеллой, графит) и константой.

 
Рисунок 1 – Современная конструкция  кондуктометрического датчика.

Кондуктометрические датчики работают в широком диапазоне температур. При этом необходимо помнить, что подвижность ионов в водных растворах возрастает с увеличением температуры. Для корректного сравнения значений электропроводности, полученных при различных температурах, их необходимо привести к некоторой стандартной температуре (20 или 25°С).

 

 

 

 

 

3 Кондуктометрический  метод определения значения уровня

Особенности кондуктометрических методов анализа:

1. возможность проводить определение не только в прозрачных, но и в окрашенных и мутных растворах, а также в присутствии окислителей, восстановителей органических веществ;
2. возможность определения различных неорганических и органических индивидуальных соединений;
3. высокая чувствительность метода, позволяющая работать с разбавленными растворами;
4. анализ водных и органических растворов;
5. возможность автоматизации процесса (хронокондуктометрия);
6. использование разнообразных типов реакций;
7. во многих случаях отсутствие необходимости проводить предварительную подготовку;
8. простота определения конечной точки титрования по пересечению двух прямых;
9. возможность проведения дифференцированного титрования смесей электролитов, что невозможно при титровании с визуальной индикацией конечной точки титрования;

Принцип работы данного метода измерения  основан на изменении сопротивления между зондом прибора и металлической стенкой емкости, либо при отсутствии таковой второго металлического зонда. Применение данного метода определения предельных значений уровня возможно только в электропроводящих жидкостях. Зонд прибора и стенка емкости (при пустой емкости) образует контур с бесконечным сопротивлением, при попадании в который продукт уменьшает сопротивление, которое отслеживает электроника прибора и управляет релейным выходом.

Чувствительность элемента регулируется потенциометром на электронном блоке. Максимальное количество зондов может достигать 4 шт измерительных и один опорный. Настройка режима работы может быть разнообразной.

В основном данный метод измерения  применяют в емкостях, бойлерах, контейнерах или открытых каналах. Для управления насосами в дренажах, водных установках и емкостях.

 

4 Разработка ИИС

Перейдём  к рассмотрению информационно-измерительной системы (ИИС). ИИС – это совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств, для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде, либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностики, идентификации и др. В наш век информационных технологий становится все более актуальным необходимость ИИС, так как это упрощает и облегчает, доступ к необходимой информации, регулирование сложными технологическими процессами.

В зависимости  от выполняемых функций ИИС реализуются  в виде измерительных систем (ИС), систем автоматического контроля, технической диагностики и др. В свою очередь в зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы и др.

ИИС разработанная в данной курсовой работе может использоваться в различных предприятиях где необходимо постоянно контролировать уровень воды в токопроводящих жидкостях. Для примера, схематически рассмотрим спортивный комплекс с имеющимися в нем бассейнами и реализуем автоматический контроль над уровнем жидкости в бассейнах.

В любом спортивном комплексе есть система бассейнов, в которых  необходимо держать под контролем  температуру воды и помещения, концентрацию различных примесей в воде и других факторов, но для нашей системы  мы подробнее рассмотрим контроля над уровнем воды в бассейнах.

 

 

 

Рисунок 2 – Схематическое представление  ИИС

Для измерения уровня жидкости будем  использовать кондуктометрический датчик (Д), так как он широко используются в тех случаях, когда требуется контроль и поддержание определенного уровня воды в токопроводящих жидкостях. В резервуаре используется погруженный насос, которой качает воды в бассейн, поэтому необходимо следить, чтобы уровень воды не снизился ниже положения насоса, в противном случае насос, работая на холостом ходу (без воды), будет перегреваться и выйдет из строя.

Рассмотрим подробнее выбранный нами кондуктометрический датчик.

 

 

 

Рисунок 3 – Внешний вид кондуктометрического сигнализатора уровня

Сигнализатор уровня у данного датчика для индикации уровня жидкости встраивается в ёмкость, электрод, погружаясь в среду, определяет уровень. Между электродом и проводящей стенкой ёмкости циркулирует слабый ток. В непроводящих ёмкостях ток циркулирует между концевым элементом и остальной частью электрода. Сигнала по току не будет, пока чувствительный элемент (электрод) не будет контактировать с проводящей жидкостью. Когда жидкость касается электрода, поступает слабый ток, который усиливается (благодаря встроенному усилителю) и активирует встроенное реле с помощью изолированного селекторного переключателя.

Данный  датчик предназначен для сигнализирования пограничных уровней или сигнализирования перелива токопроводящих жидкостей. Сигнализаторы  датчика состоят из электродов, изготовленных  из кислотоупорной стали и электронной  части, размещённой в корпусе или отдельной коробке.

Технические характеристики датчика  представлены в Таблице 1.

Таблица 1 – Технические характеристики кондуктометрического датчика.

Параметр	Значение
Максимальное рабочее давление	20 бар
Длина погружной части	до 5 метров
Температура рабочей среды	-40...+120 °C
Максимальная вязкость рабочей  среды	10 000 см2
Напряжение	50 Гц
Потребляемая мощность	2 В
Масса	1,8 кг

В нашей схеме, помимо датчика, который  играет главную роль, есть  измерительный преобразователь (ИП), предназначенный для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований в системе сбора и обработки данных.

Система сбора и обработки данных используется как комплекс средств, предназначенный для работы совместно с персональным компьютером, либо специализированной ЭВМ и осуществляющий автоматизированный сбор информации о значениях физических параметрах от каждого из объектов исследования, а также первичную обработку, накопление и передачу данных.

Далее преобразованные  данные поступаю на идентификатор и на систему управления. Поступление данных на идентификатор необходимо для того, чтобы человек мог визуально наблюдать за протеканием всех автоматических процессов и при сбоях смог бы взять ситуацию под контроль. Система управления же, получая свои данные, производит автоматические действия. В нашем случае она может подать два сигнала: либо о подаче воды в бассейн, либо о наполнение резервуара.

Данная  система обеспечивает постоянный автоматический контроль над уровнем жидкости в бассейнах, при этом очень проста в эксплуатации и затраты на её ремонт не высоки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В данной курсовой работе мы разработали ИИС  для автоматического управления уровнем воды в бассейнах. Для реализации данной системы использовался кондуктометрический прибор, измеряющий уровень жидкости (в бассейнах и резервуаре) и поддерживающий, с помощью вспомогательных средств и устройств, постоянный уровень воды. Данная система является очень удобной, так как снижаются затраты на электроэнергию, но по мимо этого, система предотвращает перегрев насоса, так как с её помощью он не работает в холостою, то есть без воды.

ИИС проста в эксплуатации и к тому же надежна. Её можно с лёгкостью преобразовывать, если необходима расширить или наоборот уменьшить количество средств управления или объектов исследования. 

Спроектированная  ИИС удовлетворяет поставленной цели, так как она наглядно иллюстрирует работу выбранного нами кондуктометрического датчика.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

1. Свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. –http://ru.wikipedia.org;
2. Измерение уровня [Электронный ресурс]. – http://www.kipinfo.ru;
3. Принцип работы кондуктометров [Электронный ресурс]. – http://www.mtrus.com/process/conductivity;
4. Вопросы по уровнемерам  [Электронный ресурс]. – http://www.rospribor.com;
5. Техническая библиотека [Электронный ресурс]. – http://lib.qrz.ru/book.

					КП 200106.01.000 ПЗ
Изм	Лист	№ локум.	Подп	Дата
Выполнил		Алексенко Л.С.			Разработка ИИС для измерения уровня жидкости с помощью кондуктометрического датчика	Лит			Лист	Листов
Проверил		Жданов Д.Н.				У				18
						АлтГТУ ВФ гр. 5ИИТ-61
Н.контур.
Утв.		Пронин С.П.

 

					КП 200106.01.001 ПЗ	Лист
Изм	Лист	№ локум.	Подп	Дата

 

	Лист

					КП 200106.01.002 ПЗ	Лист
Изм	Лист	№ локум.	Подп	Дата