Контрольная работа по "Основы автоматики"

Автономная некоммерческая организация среднего

профессионального образования

«УРАЛЬСКИЙ ПРОМЫШЛЕННО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

 

 

 

 

 

Контрольная работа

Дисциплина: Основы автоматики

КП  140448.322.09.15 ПЗ

 

Выполнил: Лузин К. В., студент

группы НтзЭПу-322.

 

Руководитель: Сунгатуллин Р. Ф.

 

 

 

 

 

 

 

НТГО, 2015 г.

 

 

Содержание:

 

1. Ультразвуковые датчики: назначение и принцип действия. Описание схемы работы ультразвукового датчика уровня и датчика расхода3
2. Системы автоматической сигнализации. Их назначение и разновидности21
3. Поясните работу системы автоматической сигнализации на примере конкретной схемы26

Литература34

 

1. Ультразвуковые датчики: назначение и принцип действия. Описание схемы работы ультразвукового датчика уровня и датчика расхода

 

Звук с частотой более чем 16 кГц не воспринимается человеческим слухом. Подобные звуки называют ультразвуками. Акустика ультразвуковых частот движется со скоростью 344 м/с в воздушной среде - равно как и слышимый звук. Оценивая скорость звука и его рабочий цикл, можно определить точное расстояние до предмета. Ультразвуковые датчики работают с пьезоэлектрическим преобразователем, который является как звуковым излучателем, так и приемником.

Преобразователь посылает пакет звуковых импульсов и преобразовывает импульс эха в напряжение. Интегрируемый контроллер вычисляет расстояние по времени эха и скорости звука. Длительность излучаемого импульса Δt и время затухания tзат. звукового преобразователя являются причиной для формирования слепой зоны, в которой ультразвуковой датчик не может обнаружить предмет. Ультразвуковая частота находится между 65 кГц и 400 кГц, в зависимости от типа датчика; частота следования импульсов между 14 Гц и 140 Гц.

Активный диапазон ультразвукового датчика обозначается как рабочий диапазон обнаружения. Диапазон обнаружения - расстояние, в пределах которого ультразвуковой датчик обнаруживает объект, независимо от того, приближаются ли эти объекты к чувствительному элементу в осевом направлении или двигаются через звуковой конус в поперечном направлении.

Принцип действия: ультразвуковой датчик вычисляет время, которое требуется звуку для движения от датчика до объекта и назад на датчик (диффузионный режим работы) или проверяет, был ли получен посланный сигнал отдельным приемником (оппозитный режим работы).

Рисунок 1. Оппозитный режим работы

Передатчик и приемник являются отдельными устройствами и монтируются друг напротив друга. Выход выключателя активизируется, если ультразвуковой пучок прерывается объектов.

Особенности:

• Широкий диапазон, так как ультразвуковой пучок проходит сигнальное расстояние один раз.
• Менее восприимчив к интерференции, подходит для работы в трудных условиях.
• Очень быстрые переключения.
• Повышенная стоимость монтажа, так как должны быть подключены два датчика (Излучатель и Приемник).

Рисунок 2. Диффузионный режим работы

Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Это минимизирует стоимость монтажа, так как необходимо монтировать и подключить только один прибор. Время срабатывания дольше, чем у датчиков в оппозитном режиме.

Переключающий выход. Точка переключения

У датчиков с двумя независимыми точками переключения каждый выход становится активным, когда объект находится в диапазоне переключения 1 и 2. Эти точки переключения могут быть произвольно настроенными в рабочем диапазоне.

Двоичное обнаружение предмета

Рабочий цикл звуковых импульсов определяет расстояние до объекта. Точка переключения или окно переключения определяется с точностью до миллиметра позиционирования посредством предварительной обучающей настройки или программирования. Расстояние до объекта от датчика, сравнивается с точкой переключения или окном переключения, выходные переключатели включаются или выключаются в зависимости от результата этого сравнения.

При обучающей настройке датчика с помощью двух потенциометров, кнопок или программатора (в зависимости от модели датчика) устанавливаются начало первого диапазона переключения 1 и конец второго диапазона переключения 2. Конец диапазона переключения 1 одновременно является началом диапазона переключения 2.

Контроль области

Ультразвуковой датчик контролирует оценочное окно. Выход переключается только в том случае, если объект обнаружен в окне. Эха, кроме эха из оценочного окна, игнорируются программным обеспечением датчика.

Особенности:

• Диапазон обнаружения зависит от свойств поверхности и угла падения на объект.
• Простая установка, полноценный датчик в одном блоке.

Как правило, обнаружение объектов представлено двоичным сигналом в переключающем выходе, или аналоговым сигналом расстояния в аналоговом выходе (4... 20 мА или 0... 10 В).

Рисунок 3. Рефлекторный режим работы

Излучатель и приемник устанавливаются в одном и том же корпусе. Ультразвуковой луч отражается назад на приемник от фона (рефлектора). Объекты, входящие в диапазон обнаружения, обнаруживаются:

• путем изменения в измеряемом расстоянии;
• путем потери в отраженном сигнале из-за поглощения или отражения.

Выход ультразвукового датчика включается в следующих случаях:

• Датчик получает эхо от маленького объекта в звуковом конусе и от опорного рефлектора.
• Датчик обнаруживает большой объект и больше не получает эхо от опорного рефлектора.
• Датчик не получает эхо, так как наклонный предмет отклоняет звук.

Положение опорного рефлектора не должно изменяться.

Особенности:

• Высокая надежность обнаружения сложных объектов (звукопоглощающие предметы или предметы с угловыми поверхностями),
• Менее восприимчивы к интерференции; подходят для применения в трудных рабочих условиях.

Воздействие окружающей среды

Температура и влажность воздуха

Оба параметра влияют на скорость звука.Увеличение температуры воздуха на 20 oС изменяет расстояние срабатывания от +3 % до +8 %, при этом расстояние до объекта кажется меньшим. С ростом влажности воздуха скорость звука повышается также примерно на 2 % для насыщенного влагой воздуха по отношению к сухому.

Давление воздуха

Обычные колебания атмосферного давления +/-5% на фиксированном месте вызывают изменение расстояния срабатывания примерно на +/-0,6 %.

Воздушные течения

Воздушные течения влияют на скорость звука. Влияние скоростей потоков до 10 м/с на работу датчиков пренебрежимо мало. При наличии турбулентности, например, над раскаленным металлом применение ультразвуковых датчиков не рекомендуется. Сдвиги звуковых волн могут привести к нерегистрируемым эхосигналам.

Атмосферные осадки и влажность

Дождь или снег при нормальной плотности осадков не оказывают влияния на работу.

Объекты

С помощью ультразвуковых датчиков могут определяться твердые, жидкие, зернообразные и порошкообразные объекты.

Объекты, величина шероховатости поверхности которых превышает 0,15 мм, имеют преимущество в том, что их поверхность не должна быть направлена точно на сам датчик, однако для них рабочий диапазон уменьшается.

Окраска объекта не оказывает никакого влияния на расстояние срабатывания; также прозрачные объекты из стекла или оргстекла определяются надежно. Температура объекта влияет на рабочий диапазон: горячие поверхности отражают звук хуже, чем холодные.

Поверхности жидкостей отражают звук подобно твердым, гладким телам. Следует обращать внимание на правильную ориентацию датчика. Ткани, поропласты, вата и др. поглощают звук. Рабочий диапазон, поэтому становится меньше.

Взаимное влияние

При применении нескольких ультразвуковых датчиков следует учитывать их взаимное влияние друг на друга. Для его исключения можно применять синхронизацию датчиков, мультиплексный режим их работы или обеспечивать минимально допустимое расстояниемежду датчиками.

Синхронизация ультразвуковых датчиков

Синхронизация ультразвуковых датчиков обеспечивает одновременное излучение приборами ультразвуковых импульсов. Для исключения взаимных помех синхронизацию следует рекомендовать только в том случае, когда датчики установлены рядом друг с другом и излучают примерно в одном направлении. В результате синхронизации несколько датчиков представляются как бы одним датчиком с расширенным конусом излучения. Если включается синхронизируемый ультразвуковой датчик, то определяемый объект перед включенным датчиком может находиться и перед другим синхронно работающим с первым датчиком. Типичным применением синхронизации ультразвуковых датчиков является измерение уровня жидкостей с более чем двумя точками переключения.

Мультиплексный режим работы ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики, которые излучают импульсы поочередно, работают полностью независимо друг от друга, поэтому их взаимное воздействие исключается. Чем больше датчиков работает в мультиплексном режиме, тем ниже частота коммутации.

 

Датчики уровня – это устройства, позволяющие отслеживать количество жидкого или сыпучего вещества по уровню его поверхности в некоторой ёмкости. Датчики уровня могут выдавать дискретный (по достижении некоторого уровня) или непрерывный сигнал (абсолютная высота текущего уровня) в зависимости от принципа действия, что сказывается на их технической сложности, а также на цене. Кроме того, датчики уровня могут быть контактными и бесконтактными, что также сказывается на стоимости и на области их применения.

По принципу действия датчики уровня могут быть:

• Емкостными

• Поплавковыми

• Радарного типа

• Ультразвуковыми

• Гидростатическими

Ниже кратко рассмотрены основные виды.

Емкостной датчик уровня

В основу работы данного типа датчика положено свойство конденсатора изменять свою ёмкость при изменении состава и распределения материала диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора. Это свойство применяется во многих емкостных детекторах например в емкостных датчиках влажности.

Предположим, имеется коаксиальный конденсатор, помещённый в жидкость (Рисунок 4), которая может свободно проникать в пространство между пластинами. Если известна диэлектрическая проницаемость жидкости, то можно составить следующее равенство:

С=С0+Сl=ε0*G0+εl*Gl       (1)

С – Общая ёмкость конденсатора.

С0 – Ёмкость участка конденсатора, не содержащего жидкость.

Сl – Ёмкость участка конденсатора, содержащего жидкость.

ε0 – Диэлектрическая проницаемость газовой среды.

εl – Диэлектрическая проницаемость жидкой среды.

G0 – Геометрический коэффициент участка конденсатора, не содержащего жидкость.

Gl – Геометрический коэффициент участка конденсатора, содержащего жидкость.

При изменении уровня жидкости величина суммарной ёмкости конденсатора также изменятся. Если конденсатор включен в электрическую цепь, не составляет труда отследить изменение ёмкости, по которому можно однозначно судить об изменении уровня жидкости.

 
Рисунок 4. Общая схема емкостного датчика уровня

Емкостные датчики лишены подвижных элементов, поэтому достаточно надёжны и долговечны. К их недостаткам следует отнести значительную температурную зависимость (которая, впрочем, может быть скомпенсирована), а также необходимость погружения в жидкость.

Поплавковый датчик уровня

Датчики данного типа имеют достаточно простое устройство. Существует несколько конфигураций, выдающих на выход как дискретный, так и непрерывный сигнал, последние можно разделить на две категории – механические и магнитострикционные. В магнитострикционных датчиках в качестве одного из элементов также используется поплавок, в остальном же они довольно сильно отличаются от обычных механических поплавковых датчиков.

Дискретные поплавковые датчики уровня

В реализации датчика, выдающего дискретный сигнал, обычно используется набор поплавков, расположенных на различных уровнях резервуара. При достижении жидкостью уровня, на котором располагается поплавок, он выталкивается за счёт силы Архимеда, направленной вверх. Это приводит в движение механическую систему или электромеханическую систему, и выходной сигнал появляется, например, при замыкании электрических контактов герконового реле.

В альтернативной конфигурации присутствует направляющая, содержащая набор реле. Вдоль направляющей вслед за уровнем жидкости перемещается поплавок, содержащий постоянный магнит. Приближение поплавка к реле вызывает его срабатывание (Рисунок 5).

 
Рисунок 5. Общая схема поплавкового датчика уровня с дискретным выходом

Дискретный выходной сигнал может быть использован для «пошагового» мониторинга уровня жидкости в резервуаре — датчик просто сообщает, достиг ли уровень жидкости конкретной отметки или нет. Также датчик уровня с дискретным выходным сигналом может служить элементом автономного регулятора в случае, например, когда необходимо поддерживать постоянный уровень жидкости в резервуаре – для реализации данной схемы выходной сигнал может непосредственно управлять силовым реле, открывающим/закрывающим входной/выходной клапан резервуара.

Дискретные поплавковые датчики дёшевы, просты и достаточно надёжны, однако требуют погружения в жидкость и имеют подвижную механику.

Магнитострикционные поплавковые датчики

Поплавковые датчики, выдающие непрерывный сигнал, обычно относятся к датчикам магнитострикционного типа и имеют довольно сложное устройство (Рисунок 6). Основным элементом конструкции по-прежнему является поплавок, в данном случае он содержит постоянный магнит. Поплавок может свободно передвигаться вдоль направляющей, внутри которой располагается волновод из магнитострикционного материала. С определённой периодичностью блок электроники датчика генерирует импульс тока, который распространяется вдоль волновода. Когда импульс достигает области, где располагается поплавок, магнитное поле поплавка и магнитное поле импульса взаимодействуют, что приводит к возникновению механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу и фиксируются чувствительным пьезоэлементом. По временной задержке между отправкой импульса тока и получением механического импульса можно судить о расстоянии до поплавка, а значит и об уровне жидкости в резервуаре.

 
Рисунок 6. Общая схема магнитострикционного датчика уровня

Магнитострикционные датчики очень точны, выдают непрерывный сигнал, а также могут использоваться с гибким волноводом, что расширяет сферу их применения. К их недостаткам можно отнести их стоимость, техническую сложность и необходимость погружения в жидкость.

Радарный датчик уровня

Главным элементом данного датчика является радиолокатор, частота излучения которого изменяется по линейному закону. Предполагается, что жидкость отражает излучение локатора, поэтому если расположить излучатель-приёмник внутри резервуара согласно схеме (Рисунок 7) и фиксировать задержку отражённого сигнала относительно сигнала источника – можно определить уровень жидкости по величине задержки. Для определения задержки используется линейная модуляция частоты источника. Если частота исходного сигнала изменяется по линейному закону (например, непрерывно возрастает), то отражённый сигнал, имеющий временной сдвиг относительно исходного, будет иметь также и меньшую частоту. По величине частотного сдвига можно однозначно судить о величине временной задержки между двумя сигналами, а значит и о расстоянии до поверхности жидкости.

Дальнейшая обработка полученного сигнала осуществляется в цифровом тракте, и на этом этапе возможна, например, нейтрализация шумовых сигналов, возникающих в результате волнений на поверхности жидкости или поглощения радиоизлучения.

 
Рисунок 7. Общий принцип функционирования датчика уровня радарного типа

Данный метод на сегодняшний день является наиболее технологичным и совершенным, к числу достоинств датчика на его основе следует отнести:

1. Отсутствие подвижных элементов

2. Отсутствие контакта с жидкой средой

3. Универсальность – возможность работать практически с любой средой при различных условиях

4. Высокая точность

5. Возможность адаптировать алгоритм обработки данных для конкретных применений

Основным недостатком радарных датчиков является их цена.

Ультразвуковой датчик уровня

В датчиках данного типа используется схема, во многом сходная со схемой датчика радарного типа. В резервуаре устанавливается блок, состоящий из генератора и приёмника ультразвуковых волн (точно также как например в   ультразвуковых расходомерах и  ультразвуковых дефектоскопах). Излучение генератора УВ проходит газовую среду, отражается от поверхности жидкости и попадает на приёмник. Определив временную задержку между излучением и приёмом и зная скорость распространения ультразвука в данной газовой среде, можно вычислить расстояние до поверхности жидкости – то есть определить её уровень.

Ультразвуковым датчикам уровня свойственны практически все достоинства датчиков радарного типа, однако УД обычно имеют более низкую точность, хотя и более просты по внутреннему устройству.

Гидростатический датчик уровня

С помощью датчиков данного типа уровень жидкости в резервуаре определяется путём измерения гидростатического давления столба жидкости над чувствительным элементом датчика (детектором давления). Согласно зависимости высота столба определённой жидкости пропорциональна давлению в данной точке:

 

P – Давление в данной точке.

ρ – Плотность жидкости.

g – Ускорение свободного падения.

h – Высота столба жидкости над чувствительным элементом.

Такие датчики компактны, относительно просты, недороги, а также способны выдавать непрерывный сигнал, однако не являются бесконтактными, что затрудняет их применение в агрессивных средах.

 

Датчики расхода (расходомеры) – приборы, измеряющие расход вещества, проходящего через данное сечение трубопровода в единицу времени. Если прибор имеет интегрирующее устройство со счетчиком и служит для одновременного измерения и количества вещества, то его называют расходомером со счетчиком.

Расходомеры разделены, как правило, на четыре типа по принципу действия: электромагнитные, ультразвуковые, вихревые и механические, кориолисовые, тепловые.

Механические расходомеры

Принцип действия механических расходомеров (крыльчатых, турбинных, винтовых) основан на преобразовании поступательного движения потока жидкости во вращательное движение измерительной части. Механические расходомеры чувствительны к наличию крупных механических примесей в воде. Этот дефект легко убирается установкой перед счетчиком магнитомеханического фильтра.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8. Механический расходомер (1 - муфта; 2 - инжектор; 3 - турбина; 4 - фильтр)

Электромагнитные расходомеры

В настоящее время твердую позицию среди устройств измерения расхода жидких веществ (в частности, воды) занимают электромагнитные расходомеры с поперечным полем. Он обладает высокой точностью измерения, имеет широкий линейный динамический диапазон и не имеет механических частей, соприкасающихся с жидкостью.

Работа электромагнитных измерителей расхода жидкости основана на законе Фарадея. В проводнике, пересекающем силовые линии поля, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения проводника. При этом направление тока, возникающего в проводнике, перпендикулярно к направлению движения проводника и направлению магнитного поля. Если заменить проводник потоком проводящей жидкости, текущей между полюсами магнита, и измерять ЭДС, наведённую в жидкости по закону Фарадея, можно получить принципиальную схему электромагнитного расходомера, предложенную ещё самим Фарадеем (рис.188).

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9. Схема и принцип действия электромагнитного расходомера с поперечным магнитным полем: (1 – трубопровод; 2 – полюса магнита; 3 – электроды для съема ЭДС; 4 – электронный усилитель; 5 – отсчетная система; 6 – источник питания магнита)

Вихревые расходомеры

Принцип действия вихревого расходомера основан на определение частоты вихрей, образующихся в потоке измеряемой среды при обтекании тела специальной формы, установленным в проточной части преобразователя расхода. Частота вихрей пропорциональна объемному расходу определяется при помощи двух пьезодатчиков, которые фиксируют пульсации давления в зоне вихреобразования.

Рисунок 10. Принцип работы расходомера вихревого принципа действия

 

 Прибор состоит из корпуса проточной части и электронного блока. В корпусе проточной части датчика размещены первичные преобразователи объемного расхода, избыточного давления и температуры. На входе в проточную часть датчика установлено тело обтекания 1. За телом обтекания, по направлению потока газа, симметрично расположены два пьезоэлектрических преобразователя пульсаций давления 2. Преобразователь избыточного давления 3 тензорезисторного принципа действия размещен перед телом обтекания вблизи его крепления. Термопреобразователь сопративления платиновый 4 размещен внутри тела обтекания. Для обеспечения непостредственного контакта измеряемой среды и ТСП в теле обтекания выполнены отверстия 5. Плата цифровой обработки 6 производит обработку сигналов и передает на вычислитель 7.

 

 Приборы этого типа также чувствительны к резким изменениям в потоке жидкости, к наличию крупных примесей, но безразличен к отложениям в трубах и магнитным примесям (железо в воде).

Кориолисовы расходомеры

Кориолисовый расходомер состоит из датчика расхода (сенсора) и преобразователя. Сенсор напрямую измеряет расход, плотность среды и температуру сенсорных трубок. Преобразователь конвертирует полученную с сенсора информацию в стандартный выходной сигнал.

Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на равные половины и протекает через каждую из сенсорных трубок. Движение задающей катушки приводит к тому, что трубки колеблются вверх-вниз в противоположном направлении друк к другу. 
Сборки магнитов и катушек-соленоидов, называемые детекторами, установлены на сенсорных трубках (рис.191). Катушки смонтированы на одной трубке, магниты на другой. Каждая катушка движется сквозь однороное магнитное поле постоянного магнита. Сгенерированное напряжение от каждой катушки детектора имеет форму синусоиальной волны. Эти сигналы представляют собой движение одной трубки относительно другой.

Рисунок 11. Кориолисовый расходомер

 

При движении измеряемой среды через сенсор проявляется физическое явление, известное как эффект Кориолиса. Поступательное движение среды во вращательном движении сенсорной трубки приводит к возникновению кориолисового ускорения, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориоливовой силы. Эта сила направлена против движения трубки, приданного ей задающей катушкой, т.е. когда трубка движется вверх во время половины ее собственного цикла, то для жидкости, поступающей внутрь, сила Кориолиса направлена вниз. Как только жидкость проходит изгиб трубки, направление силы меняется на противоположное. Сила Кориолиса и, следовательно, величина изгиба сенсорной трубки прямо пропорциональны массовому расходу жидкости.

Ультразвуковые расходомеры

Неоспоримые достоинства ультразвуковых расходомеров: малое или полное отсутствие гидравлического сопротивления, надежность (так как нет подвижных механических элементов), высокая точность, быстродействие, помехозащищенность – определили их широкое распространение.

Существуют три основные методики определения расхода жидкости при помощи ультразвука:

• время-импульсный метод (фазового сдвига),

• доплеровские расходомеры,

• метод сноса ультразвукового сигнала (корреляционный).

Ультразвуковые счетчики работают на принципе изменения времени прохождения ультразвукового сигнала от источника до приемника сигналов, которое зависит от скорости потока жидкости.

Звуковая волна, распространяющаяся в направлении потока, движется с большей скоростью, чем движущаяся против потока - разность времени (прямо пропорциональна средней скорости продукта) непрерывно измеряется. Объемный расход равен средней скорости продукта (vm), умноженной на площадь трубы.

Эти приборы хорошо работают при измерении расхода чистой, однородной жидкости по чистым трубам. Однако, при протекании жидкостей, имеющих посторонние включения - окалина, частицы накипи, песок, воздушные пузыри и при неустойчивом расходе, они дают существенные неточности показаний. Отложение накипи и других механических примесей на стенках измерительной части расходомера сделают искажения постоянными, вплоть до отказа работы прибора.

Тепловые расходомеры

Принцип действия теплового расходомера основан на измерении эффекта теплового воздействия на поток, зависящее от расхода.Тепловой расходомер состоит из нагревателя 1 и двух датчиков температуры 2 и 3, которые устанавливаются снаружи трубки 4 с измеряемым потоком.

Рисунок 12. Тепловой расходомер

 

 При постоянной мощности нагревателя количество тепла, забираемое от него потоком, будет также постоянным. Поэтому с увеличением расхода Q нагрев потока будет уменьшаться, что определяется по разности температур, измеряемой термодатчиками 3 и 2. Для измерения больших расходов измеряют не весь поток Q, а лишь его часть Q1, которую пропускают по трубке 4. Эта трубка шунтирует участок трубопровода 5, снабженный дросселем 6. Проходное сечение дросселя определяет верхнюю границу диапазона измеряемых расходов: чем больше это сечение, тем большие расходы можно измерять (при той же мощности нагревателя).

Тепловые расходомеры рассчитаны на применение в составе теплосчетчиков для водяных и паровых систем теплоснабжения и иных измерительных систем, где в качестве теплоносителя используются вода, конденсат, перегретый пар либо сухой или влажный насыщенный пар. 
Интегрированные функциональные возможности тепловычислителя обеспечивают комплексное решение широкого круга задач: