Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Вечерний факультет

Кафедра информационных технологий

Пояснительная записка

к курсовому проекту

по дисциплине «Информационно - измерительные системы»

тема проекта

Разработка ИИС для измерения уровня жидкости с помощью кондуктометрического датчика

Проект выполнил

студент группы 5ИИТ-61

Л.С. Алексенко

Руководитель проекта доцент

к.т.н. Д.Н. Жданов

Барнаул 2010г.

Введение

Уровень рабочей среды является технологическим параметром, информация о котором необходима для контроля режима работы технологического аппарата.

В настоящее время операция измерения уровня является ключевой для организации контроля и управления технологическими процессами в во многих отраслях промышленности. К приборам для измерения уровня заполнения ёмкостей и сосудов, или уровнемерам, предъявляются различные требования: в одних случаях требуется только сигнализировать о достижении определённого предельного значения, в других необходимо проводить непрерывное измерение уровня заполнения.

Данная тема актуальна, так как современные системы автоматизации производства требуют статистических и информационных данных, позволяющих оценить затраты, предотвратить убытки, оптимизировать управление производственным процессом, повысить эффективность использования сырья. Этот постоянно возрастающий спрос на информацию приводит к необходимости применения в системах контроля не простых сигнализаторов, а средств, обеспечивающих непрерывное измерение.

Целью данной курсовой работы является разработка ИИС для измерения уровня жидкости с помощью кондуктометрического датчика.

К задача данной курсовой работы можно отнести ознакомление с разнообразием приборов, которые используются для измерения уровней жидкости, выбрать необходимы для нас прибор и использовать его при создании ИИС.

1. Уровнемеры

Уровнемер - это прибор для промышленного измерения или контроля уровня жидкости и сыпучих веществ в резервуарах, хранилищах, технологических аппаратах и т.п. Уровнемеры так же называют датчиками уровня, преобразователями уровня.

Уровнемеры позволяют автоматизировать управление и контроль в технологических процессах; т.е. снизить влияние человеческого фактора, что позволяет, с одной стороны, повысить качество продукции и оптимизировать расход сырья, а, с другой, снизить требования к квалификации и опыту персонала.

В первую очередь уровнемеры подразделяются по продукту (веществу), уровень которого измеряется. Бывают:

- датчики уровня для жидкостей (вода, растворы, суспензии, нефтепродукты, масла и т.п.);

- датчики уровня для сыпучих веществ (порошки, гранулы и т.п.).

Для данной курсовой работы нам необходимо подробнее рассмотреть уровнемеры, предназначенные для измерения уровня жидкости.

Основные сложности работы приборов с жидкими продуктами являются: широкий температурный диапазон и давления в резервуаре; широкий разброс свойств и, как следствие, необходимость в "индивидуальном подходе" к жидкости; часто работа ведется с агрессивными и ядовитыми средами; возможна коррозия частей контактирующих с продуктом; возможно налипание продукта на контактные части; широкий разброс плотности продукта (даже в одном и том же тех процессе); часто требуется взрывозащищенное исполнение (особенно для нефтепродуктов); часто присутствуют бурлящие и пенящиеся поверхности; часто необходима высокая точность; возможность проникновения паров продукта прибор с последующей конденсацией; необходимость соблюдать санитарные нормы для питьевой воды и пищевых продуктов ; иногда требуется определять уровни для нескольких продуктов, или уровень раздела двух жидкостей.

Уровнемеры для жидкостей разделяются на:

- механические;

- гидростатические;

- акустические;

- радарные;

- рефлексные (волноводные);

- радиационные;

- электрические.

Рассмотрим основные сведения о каждый из видов жидкостный уровнемеров.

Механические уровнемеры бывают:

- поплавковые, в таких уровнемерах имеется плавающий на поверхности жидкости поплавок, в результате чего измеряемый уровень преобразуется в перемещение поплавка. Обычно используется легкий поплавок, изготовленный из коррозионно-стойкого материала. Показывающее устройство прибора соединено с поплавком тросом или с помощью рычагов. Такими уровнемерами можно измерять уровень жидкости в открытых емкостях;

- буйковые, в таких уровнемерах применяется неподвижный погруженный в жидкость буек. Принцип действия буйковых уровнемеров основан на том, что на погруженный буек действует со стороны жидкости выталкивающая сила. По закону Архимеда эта сила равна весу жидкости, вытесненной буйком. Количество вытесненной жидкости зависит от глубины погружения буйка, т. е. от уровня в емкости. Таким образом, в буйковых уровнемерах измеряемый уровень преобразуется в пропорциональную ему выталкивающую силу. Поэтому зависимость выталкивающей силы от измеряемого уровня линейная. Принцип действия буйковых уровнемеров позволяет в широких пределах изменять их диапазон измерения. Это достигается как заменой буйка, так и изменением передаточного отношения рычажного механизма промежуточного преобразователя;

- вибрационные, являются лучшим решением для липких сред.

Гидростатические уровнемеры - ближайшие родственники датчиков давления. Они дешевы и просты по конструкции, но имеют ограниченное применение из-за относительно низкой точности, постоянный контакт с продуктом так же накладывает свои ограничения. Гидростатический способ измерения уровня основан на том, что в жидкости существует гидростатическое давление, пропорциональное глубине, т. е. расстоянию от поверхности жидкости. Поэтому для измерения уровня гидростатическим способом могут быть использованы приборы для измерения давления или перепада давлений. В качестве таких приборов обычно применяют дифманометры. При включении дифманометра перепад давлений на нем будет равен гидростатическому давлению жидкости, которое пропорционально измеряемому уровню. При измерении уровня агрессивных жидкостей дифманометр защищается разделительными сосудами или мембранными разделителями, что позволяет заполнить его камеры и трубки неагрессивной жидкостью.

В акустических (ультразвуковых) уровнемарах используется явление отражения ультразвуковых колебаний от плоскости раздела сред жидкость-газ.

Среди акустических уровнемеров есть класс накладных сигнализаторов уровня. Такие датчики устанавливаются на наружные поверхности резервуара и определяют "заполнен ли до данного уровня". Последняя время стали появляться и уровнемеры работающие на ультранизких частотах. Однако они пока, что не имеют широкого распространения. Акустические уровнемеры самые дешевые из всех бесконтактных датчиков уровня.

Радарные уровнемеры, подобно акустическим, используют явление отражения электромагнитных колебаний от плоскости раздела сред жидкость-газ. Радарные датчики уровня не имеют контакта с продуктом, что позволяет использовать их с агрессивными продуктами, в тяжелых условия (высокое давление, высокие температуры, пары и газы над поверхностью).

По сравнению с ультразвуковыми уровнемерами, радарные - способны обеспечить большую точность измерения, обладают меньшей зоной нечувствительности, способны работать при больших давлениях в резервуаре.

Рефлексные (волноводные) уровнемеры по принципу работы подобны радарным, но электромагнитный импульс распространяется не в газовой среде, а по специальному зонду - волноводу. В качетсве зондов могут выступать: стержень, трос, группа тросов, коаксиальный кабель. Рефлексные уровнемеры способны работать в более жестких условиях:

- температура продукта до 600° С;

- давление в резервуаре до 100 бар;

- сильное бурление жидкости; резервуары с работающей мешалкой;

- пары и газы над поверхностью жидкости.

В радиационных уровнемерах используют просвечивание объекта измерения гамма-лучами радиоактивных элементов, интенсивность которых зависит от объёма измеряемого вещества. Используются для сложных условий эксплуатации: ядовитые, токсичные, радиоактивные, сильно корродирующие жидкости, при высокой температуре и давлениях. Для использования подобного уровнемера требуются специальные разрешения.

Электрические уровнемеры бывают:

- ёмкостные;

- кондуктометрические.

В ёмкостных уровнемерах чувствительным элементом служит конденсатор, ёмкость которого изменяется пропорционально изменению уровня жидкости.

Действие кондуктометрического уровнемера основано на измерении сопротивления между электродами, помещенными в измеряемую среду (одним из электродов может быть стенка резервуара или аппарата).

Многообразие уровнемеров, которое представлено выше, объясняется многообразием задач по определению уровня: различные продукты, различные условия, различная точность, различная надежность, различная стоимость.

Универсального уровнемера в настоящее время не существует. Каждый прибор имеет множество модификаций и опций, которые позволяют подобрать наиболее оптимальный для заказчика уровнемер.

Для данной курсовой работы мы выберем один из электрических уровнемеров, а именно кондуктометрический датчик, что бы разработать ИИС для измерения уровня жидкости.

кондуктометрический датчик электрический проводимость

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.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

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

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.

Размещено на Allbest.ru