Преобразователь уровня воды в резервуаре

ФГБОУ ВПО «Госуниверситет  – УНПК»

Кафедра: «Приборостроение,

метрология и сертификация»

Допустить к защите

«___»_________________2012 г.

Руководитель: Давыдова Н.В.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Физические основы получения информации»

Тема курсовой работы: «Преобразователь уровня воды в резервуаре»

Проект выполнил студент: Пырсикова А.С.

УНИИ ИТ

Группа: 31 – П

Шифр: 100026

Специальность: 200101 Приборостроение

Курсовая работа защищена с оценкой__________ «___»_____________2012 г.

Руководитель___________________/________________________________/

Члены комиссии________________/________________________________/

                            ________________/________________________________/

Орёл 2012

Содержание 

Введение………………………………………………………..…………4

1. К вопросу о понятии ………………………………………...…….…...5
2. Обзор преобразователей………………...……………………………...7
1. Поплавковые уровнемеры……………………………………………...7
2. Емкостной преобразователь……..……………………………………10
3. Ультразвуковой уровнемер…...……………………………………….13
4. Гидростатический уровнемер ……………………………...…………19
5. Резонансный акустический уровнемер……………………………….26
3. Выбор преобразователя…………………………………………….….30
4. Техническое задание…………………………………………………...32
1. Назначение и область применения……..……………………………..32
2. Основные требования к преобразователю………..….……………….32
5. Конструкторский раздел……….……….……………………………...33

5.1 Введение…………………………………………………………………...33

5.2 Принцип действия преобразователя……………………………………..33

5.3 Разработка и проектирование  конструкции……………………………..34

Заключение…………………………………………………………………….39

Список использованных источников…………………...……………………40

Введение 

В настоящее время операция измерения уровня является ключевой для организации контроля и управления технологическими процессами 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.

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. 

Проблема точного определения уровня жидкости в резервуарах достаточно актуальна на сегодняшний день. Особую значимость она принимает при транспортировке дефицитных материалов и использовании жидкого топлива, т. к. даже небольшая погрешность в измерениях приводит к потере имеющихся ресурсов.  Так,  предприятия транспортной отрасли используют все известные способы экономии топлива,  однако требуются    новые,  более прогрессивные системы измерения и их разработки для дальнейшего развития отрасли и ее направлений.

1. К вопросу о понятии

Уровнем называют высоту заполнения технологического аппарата рабочей  средой —  жидкостью или сыпучим телом.  Уровень рабочей среды является технологическим параметром,  информация о котором необходима для контроля режима работы технологического аппарата,  а в ряде случаев для управления производственным процессом.

Путем измерения уровня можно  получать информацию о массе жидкости в резервуарах. Подобная информация широко используется для проведения товароучетных операций и для управления производственным процессом. Уровень измеряют в единицах длины. Средства измерений уровня называют уровнемерами.

Различают уровнемеры,  предназначенные  для измерения уровня рабочей  среды; измерений массы жидкости в технологическом аппарате;  сигнализации предельных значений уровня рабочей среды — сигнализаторы уровня.

По диапазону измерения  различают уровнемеры широкого и  узкого диапазонов. Уровнемеры широкого диапазона (с пределами измерений 0.5—20 м) предназначены для проведения товароучетных операций, а уровнемеры узкого диапазона [пределы измерений (0¸±100)  мм или (0¸±450)  мм]  обычно используются в системах автоматического регулирования.

Задачи измерения уровня жидких и сухих веществ в современных системах автоматизации технологических процессов сегодня обыденны и привычны, но, тем не менее, всегда актуальны. При решении задач измерения уровня специалистам необходимо ответить на ряд вопросов:

1. может ли датчик уровня встраиваться в резервуар?
2. допускается ли прямой контакт датчика уровня жидкости с контролируемой средой?
3. необходим непрерывный контроль уровня или достаточно измерять наличие продукта в пороговых точках?
4. возможно, ли будет регулярное техническое обслуживание?
5. совместим ли физический принцип работы датчика с решаемой задачей измерения?
6. какие ограничения накладывает контролируемый процесс?

К характерным задачам  относятся:

1. в пищевой, химической и нефтехимической промышленности – измерение уровня жидких субстанций и конечной продукции в резервуарах и трубах, учет объема и массы при погрузке и выгрузке, контроль утечек, контроль аварийных ситуаций.
2. на транспорте – измерение объема и массы топлива в топливных баках автомобилей, дизельных локомотивов; учет топлива и жидких реагентов в цистернах при их перевозке.
3. в жилищно-коммунальном хозяйстве – определение объема канализационных стоков промышленных предприятий и населения, контроль уровня и объема воды в резервуарах насосных станций, мониторинг баланса воды предприятий, городов и поселков.
4. в сельском хозяйстве и системах экологического мониторинга – определение уровня воды в реках, озерах, оросительных каналах для управления системами искусственного орошения, прогнозирования наводнений, проведения экологических исследований.
5. в судостроении и мореплавании – контроль количества воды для бытовых, хозяйственных и технологических нужд, а также грязной (использованной) воды, измерение объема и массы топлива в топливных резервуарах, сигнализация аварийных ситуаций.

2. ОБЗОР ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УРОВНЯ ВОДЫ В РЕЗЕРВУАРЕ

1. Поплавковые уровнемеры

Поплавковый уровнемер относится  к механическим преобразователям. Поплавковые датчики уровня одни из самых недорогих и, вместе с тем, надежных устройств для измерения уровня жидкостей.

Сущность: поплавковый уровнемер, включающий выполненный в виде центрально-симметричного тела вращения поплавок, имеющий на концах продольной оси шейки и связанный с корпусом резервуара частично намотанными на шейки растяжками, закрепленными в нижней и верхней точках резервуара, и шкалу, согласно изобретению уровнемер снабжен третьим гибким звеном, одним концом, намотанным по центру поплавка, а другим концом, связанным с противовесом, имеющим указатель уровня и размещенным в установленной вне корпуса резервуара направляющей, при этом шкала размещена на направляющей.

Рисунок 1- Общий вид поплавкового уровнемера

Размещенный в резервуаре 1 с жидкостью, уровень 2 которой необходимо замерять, поплавковый  уровнемер содержит поплавок 3, выполненный  в виде центрально-симметричного  тела вращения и имеющий на своих  концах продольной оси жестко прикрепленные  шейки 4. На обе шейки навиты три-четыре витка трения двух гибких звеньев 5, нижние концы которых закреплены на днище резервуара, а верхние  через упругий элемент 6 (пружину, резину) для небольшого натяжения  звеньев 5 - к верхней части резервуара, при этом поплавок 3 изготовлен таким  образом, что его продольная ось  совмещена с уровнем 2 жидкости.

Рисунок 2 – Разрез А-А по рисунку 1

По центру поплавка навито измерительное гибкое звено 7, один конец которого закреплен  на поплавке, а другой конец пропущен через отверстие в верхней  части резервуара, огибает блоки 8 и закреплен на противовесе 9, размещенном  внутри направляющей 10, установленной  вне резервуара.

Рисунок 3 – Разрез Б-Б по рисунку 1

Для удобства обслуживания на противовесе закреплены две стрелки 11 и с двух сторон направляющей нанесены две шкалы 12.

Величина  диаметров поплавка и его шеек выбрана с соответствующим соотношением к высоте между возможными нижним и верхним уровнями жидкости в  резервуаре.

Поплавковый уровнемер работает следующим образом.

Выталкивающее усилие поплавка вызывает его вертикальное перемещение, при этом при перемещении  поплавка одновременно происходит вращение его вокруг собственной оси и  перемотка ветвей гибких звеньев 5.

Изображенный  на рисунке 1 поплавок при увеличении уровня 2 жидкости будет перемещаться вверх с одновременным вращением  против часовой стрелки, а следовательно, с наматыванием измерительного гибкого  звена 7 на поплавок и с перемещением вверх противовеса 9. Закрепленные на противовесе стрелки 11 поднимаются  вверх и по шкалам 12 показывают увеличение уровня 2.

Предложенный  уровнемер применим независимо от формы  стенок резервуара, от светлости жидкости, хранящейся в резервуаре, от высоты между минимальным и максимальным уровнями жидкости и от соотношения высоты и поперечного сечения резервуара.

Поплавковый уровнемер имеет минимальную  металлоемкость, прост в обслуживании и изготовлении.

2. Емкостной преобразователь

Емкостной уровнемер — один из типов электрических датчиков-измерителей уровня. Основан на принципе измерения уровня жидкости в резервуаре при помощи измерения электрической ёмкости датчика.

Емкостной метод – простой, дешевый и надежный. Он обеспечивает хорошую точность порядка , имеет те же ограничения, что и поплавковый - среда не должна налипать и образовывать отложения на чувствительном элементе. 

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

Рисунок 4 – Общий вид емкостного уровнемера

 Емкостной способ измерения уровня жидкостей осуществляют прибором 1 для измерения электрической  емкости, подключенным к двухэлектродному конденсаторному датчику 2 уровня жидкости, установленному вертикально в резервуаре 3 с контролируемой жидкостью, путем  поочередного измерения емкости C_A самого двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и после параллельного подключения к нему конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств, полость которого постоянно заполнена контролируемой жидкостью, и измеряют общую емкость двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и параллельно подключенного к нему конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств, после чего рассчитывают уровень от верхней отметки двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкостей.

Устройство для измерения уровня жидкости в резервуаре 3 содержит двухэлектродный  конденсаторный датчик 2 уровня жидкости, соединенный параллельно с конденсаторным датчиком 4 диэлектрических свойств, установленным в нижней части  устройства для измерения уровня жидкости. Двухэлектродный конденсаторный датчик 2 уровня жидкости выполнен в  виде коаксиального конденсатора с  цилиндрическими электродами 5, внутренним, и 6, внешним. Нижний конец внутреннего  электрода 5 двухэлектродного конденсаторного  датчика 2 уровня жидкости соединен с  одним из электродов конденсаторного  датчика 4 диэлектрических свойств  через замыкающий контакт герконового  реле 7. Нижний конец внешнего электрода 6 двухэлектродного конденсаторного  датчика 2 уровня жидкости соединен со вторым электродом конденсаторного  датчика 4 диэлектрических свойств. Конденсаторный датчик 4 диэлектрических  свойств выполнен в виде произвольно  уложенных проволочных электродов, покрытых изоляцией, межэлектродное пространство которых постоянно заполнено  контролируемой жидкостью. Двухэлектродный конденсаторный датчик 2 уровня жидкости подключен к прибору 1 для измерения электрической емкости. Устройство для измерения уровня жидкости может быть использовано как для диэлектрических жидкостей, так и для токопроводящих жидкостей. В этом случае хотя бы один из электродов двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств должен иметь изолирующее покрытие из одного и того же диэлектрика.

Измерения уровня жидкости в резервуаре происходят следующим емкостным  способом измерения уровня жидкостей. Вертикально устанавливают устройство для измерения уровня жидкости в  резервуаре 3. Измеряют электрическую  емкость двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости.

Затем через замыкающий контакт  герконового реле 7 подключают к  прибору 1 для измерения электрической  емкости конденсаторный датчик 4 диэлектрических  свойств, параллельно соединенный  с двухэлектродным конденсаторным датчиком 2 уровня жидкости. Измеряют общую  емкость двухэлектродного конденсаторного  датчика 2 уровня жидкости с подключенным параллельно конденсаторным датчиком 4 диэлектрических свойств.

Емкость конденсаторного датчика 4 диэлектрических свойств не зависит от изменения уровня жидкости, а является функцией только диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.

Емкость незаполненной жидкостью части двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости зависит от изменения уровня контролируемой жидкости в резервуаре 3, т.е. от длины непогруженной части двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости, и соответственно от удельной емкости пустого датчика. Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха или газовой среды на изменение емкости влиять не будет, так как диэлектрическая проницаемость воздуха и различных газовых сред приблизительно равна единице.

Отчет показаний уровня можно  вести от любой вертикальной точки  резервуара 3. Например: от дна резервуара 3, от нижнего или верхнего конца  двухэлектродного конденсаторного  датчика 2 уровня жидкости. Простыми геометрическими  расчетами легко эти системы  отчета привязать к любой удобной точке. Однако отчет уровня жидкости удобнее вести от верхнего конца двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости, особенно для заглубленных в землю резервуаров, а также в тех случаях, когда по технологическому регламенту измерение уровня жидкости происходит в верхней части резервуара 3, и длину двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости можно выбрать меньше высоты самого резервуара 3. В этом случае в расчетную формулу для измерения уровня жидкости на основании очевидных геометрических построений следует ввести поправку, равную разности вертикальных отметок верхнего конца двухэлектродного конденсаторного датчика 2 уровня жидкости и принятой новой точки отсчета.

3. УЛЬТРОЗВУКАВОЙ УРОВНЕМЕР

Использование: в средствах  определения уровня жидких материалов с использованием акустического  излучения.

Рисунок 5 – конструкция  ультразвукового датчика

Конструкция датчика включает стержневой акустический волновод 2, на одном конце которого расположен электроакустический преобразователь 3, на другом полый резонатор 4. Корпус 1 датчика жестко и герметично закреплен  на поверхности стержневого акустического  волновода 2 в зоне минимальных колебаний 6 стержневого акустического волновода 2 на рабочей частоте датчика. Полость 5 резонатора 4 изолирована от внешней  среды пластиной 8. Корпус 1 содержит узел 7 крепления корпуса датчика  к внешнему основанию. В корпусе 1 датчика находится конец стержневого  волновода с преобразователем 3 и  размещена плата электроники 9 со схемой генератора импульсов и схемой обработки сигналов датчика. Электроакустический  преобразователь 3 соединен с платой 9 проводниками 10. С внешней электрической  цепью плата датчика соединена  кабелем 11, который введен в корпус 1 датчика через герметичный сальник 12. Герметичная крышка 13 изолирует  полость корпуса датчика с  платой 9 от внешней среды.

Рисунок 6 - крепление корпуса датчика к стержневому акустическому волноводу

Корпус 1 датчика в месте  крепления с акустическим волноводом 2 имеет толщину L_к, причем L_к < W/12 Это соединение (крепление) 14 может быть сварным.

Рисунок 7 - вариант крепления датчика к основанию

Узел крепления 7 корпуса  датчика к внешнему основанию 15 выполнен в виде резьбового соединения.

Датчик работает следующим  образом.

Электроакустический преобразователь 3, расположенный на одном из концов волновода 2, периодически генерирует в волноводе колебания, имеющие  вид импульсных сигналов с синусоидальным заполнением. Импульсные сигналы вырабатываются электронным генератором, расположенном  на плате 9. Сигналы распространяются вдоль волновода 2 и при достижении резонатора 4, который прикреплен к  противоположному от преобразователя 3 концу волновода, возбуждают в нем  колебания. Колебания резонатора 4 являются затухающими, причем декремент затухания  в сильной степени зависит  от свойств среды, в которую помещен  резонатор. Если среда имеет малое  волновое сопротивление на рабочей  частоте, то декремент затухания  мал - колебания затухают медленно. Если же среда, в которую помещен  резонатор, имеет сопротивление, сравнимое  с выходным сопротивлением резонатора, как акустического излучателя, то в среде возникают акустические колебания и происходит отбор  энергии от резонатора в среду, что  эквивалентно существенному увеличению декремента затухания резонатора. Колебания  резонатора быстро затухают.

Рисунок 8 - временная диаграмма, поясняющая работу датчика

Колебания резонатора 4 распространяются в волноводе 2 в направлении электроакустического преобразователя 3, при достижении которого преобразуются в электрический  сигнал (рисунок 8). Этот сигнал повторяют по форме колебания в волноводе, которые, в свою очередь, подобны колебаниям резонатора. При помещении резонатора в жидкость электрический сигнал имеет вид быстрозатухающих колебаний, т.е. - колебаний с большим декрементом затухания.

По величине декремента затухания  схема обработки сигналов датчика  формирует выходной сигнал датчика. Этот сигнал имеет релейный характер и несет информацию о типе среды, в которую помещен резонатор 4: среда жидкая или газообразная. Этот сигнал по кабелю 11 поступает во внешнюю  электрическую цепь.

Полость датчика с преобразователем 3 и платой 9 изолирована от внешней  среды, благодаря сварному соединению волновода 2 с корпусом 1, сальниковому вводу 12 кабеля 11 и герметичной крышке 13, поэтому на работу электронной  схемы и преобразователя не влияет среда, в которую помещен корпус датчика.

Вибрации основания, к  которому прикреплен датчик, практически  не достигают электроакустического преобразователя и не влияют тем  самым на работу датчика. Это происходит благодаря резьбовому соединению 7, которое плохо передает колебания  основания корпусу 1 датчика (из-за поглощения энергии колебаний трущимися  поверхностями резьбового соединения), а также из-за размещения соединения 14 в зоне минимальных колебаний  волновода 2. Эта зона характеризуется  большим сопротивлением, благодаря  чему не наблюдается существенного  проникновения колебаний как  из волновода, так и в волновод.

Сигнализатор жидкости представляет собой колебательную систему, добротность  которой определяется свойствами среды, в которую помещен чувствительный элемент сигнализатора - полый резонатор. Со стороны электроакустического преобразователя сигнализатор можно представить колебательным контуром, добротность которого должна определяться выше колебательными свойствами резонатора и не зависеть от: 
1) свойств среды, в которой находится волновод, 
2) пластины, герметизирующей полость резонатора.

Кроме того, необходимо, чтобы  независимо от свойств среды, в которой  находится сигнализатор, в месте  прикрепления корпуса датчика к  волноводу был бы минимум колебания  стержня.

Для этого размеры трех основных частей сигнализатора-волновода, резонатора и пластины, должны иметь  определенные волновые размеры.

Технологически удобно, если основные части колебательной системы  сигнализатора (волновод, резонатор  и пластина) выполнены из одинакового  материала и имеют одинаковые внешние диаметры.

Толщина пластины L_p выбирается таким образом, чтобы она мало влияла на добротность резонатора, для этого толщина пластины должны удовлетворять следующему условию:

                                 (2.3.1)

где  - отношение площадей поперечного сечения стенок резонатора и волновода.

Длина полого резонатора L_r и длина волновода L_w выбирается таким образом, чтобы вся механическая колебательная система имел резонансную частоту, равную рабочей и не зависящей от волнового сопротивления среды, в которой находится резонатор. В этом случае место минимальных колебаний волновода не зависит от волнового сопротивления среды. Для этого необходимо, чтобы размеры L_r и L_w удовлетворяли следующим соотношениям:

                                 (2.3.2)

      (2.3.3)

где К, n - натуральные числа.

Если механическая система  удовлетворяет этим условиям, то места  минимальных колебаний волновода  будут отстоять от конца волновода, к которому прикреплен электроакустический  преобразователь, на нечетное число W/4.

4. Гидростатический уровнемер

Гидростатический уровнемер, содержащий погружаемый в контролируемую жидкость деформируемый чувствительный элемент, связанный с измерительным  устройством и устройством создания противодавления, имеющим кинематический узел, согласно предлагаемому изобретению  чувствительный элемент выполнен в  виде двух изолированных друг от друга  камер, размещенных в жесткой  обойме, и перфорированной пластины, установленной на верхней поверхности  камер с возможностью скольжения вдоль образующей обоймы в вертикальной плоскости, устройство создания противодавления  выполнено в виде емкости с  присоединенной к наружной боковой  поверхности П-образной стойкой, размещенного в емкости поршня, шток которого в верхней части выполнен в  виде зубчатой рейки для взаимодействия с шестерней кинематического  узла, двух жестких звеньев с ползунами-утяжелителями  на одних концах, другие концы которых  закреплены на общей оси в верхней  части П-образной стойки, в средней  части которой размещена ось  вращения шестерни, на боковых поверхностях которой выполнены радиальные направляющие движения ползунов- утяжелителей, а  измерительное устройство выполнено  в виде мерной емкости с датчиками  уровня и давления столба жидкости в ней, при этом емкость устройства создания противодавления сообщена с одной из камер чувствительного  элемента, другая камера которого сообщена с мерной емкостью; кроме того, емкость  устройства создания противодавления  и мерная емкость имеют равные вместимости, длину окружности шестерни (L_ш) принимают равной четырем высотам емкости устройства создания противодавления (H_д), а также тем, что длина жестких звеньев составляет (0,6...0,7) диаметра шестерни (D_ш).

Гидростатический уровнемер  состоит из деформируемого чувствительного  элемента, устройства создания противодавления  с кинематическим узлом и измерительного устройства.

Рисунок 9 – гидростатический уровнемер (общий вид)

Деформируемый чувствительный элемент состоит из обоймы 1, эластичной наружной камеры 2, эластичной внутренней камеры 3, перфорированной пластины 4. Обойма 1 чувствительного элемента, боковые стенки эластичной наружной камеры 2, эластичной внутренней камеры 3 и перфорированной пластины 4 в  горизонтальном сечении имеют форму  окружностей. Для удобства установки деформируемого чувствительного элемента в резервуар диаметр его обоймы 1 не должен превышать диаметра горловины резервуара.

Рисунок 10 - устройство создания противодавления (вид сверху, сечение А-А на рисунке 9)

Устройство создания противодавления  связано с деформируемым чувствительным элементом при помощи шланга 5, пропущенного через отверстие перфорированной  пластины 4. Один конец шланга 5 подсоединен  к нижней части конусообразного  днища емкости 6 устройства создания противодавления, а другой - к верхней  части эластичной наружной камеры 2. Внутри емкости 6 устройства создания противодавления размещен поршень 7 со штоком 8. Верхняя часть штока 8 выполнена зубчатой и взаимодействует  с шестерней 9 устройства создания противодавления. Ось 10 шестерни 9 закреплена в средней  части П-образной стойки 11, которая  жестко закреплена на боковой стенке емкости 6 устройства создания противодавления. В верхней части П-образной стойки 11 закреплена ось 12, на которой закреплены параллельно друг другу два жестких  звена 13, имеющих вид отвесов. На противоположном конце каждого  жесткого звена 13 подвижно закреплен  ползун-утяжелитель 14, в качестве которого, как вариант, использован ролик. На каждой из боковых поверхностей шестерни 9 параллельно друг другу  выполнены радиальные направляющие 15 движения ползунов-утяжелителей 14. Для обеспечения создания усилия, направленного в сторону, противоположную направлению вращения шестерни 9 при движении штока 8 вверх, ползуны- утяжелители 14 и радиальные направляющие 15 их движения размещают с ближней к штоку 8 стороны П-образной стойки 11.

Измерительное устройство сообщается с деформируемым чувствительным элементом посредством шланга 16, пропущенного через отверстие перфорированной  пластины 4. Один конец шланга 16 подсоединен  к верхней части эластичной внутренней камеры 3, а второй - к нижней части  конусообразного днища мерной емкости 17. Внутри мерной емкости 17 установлен поплавковый уровнемер (поршень 18 со штоком 19, функционально связанным  с датчиком 20 уровня столба жидкости в мерной емкости 17, установленным  на крышке мерной емкости 17). Нижняя часть  мерной емкости 17 линией связи 21 соединена  с датчиком 22 давления столба жидкости в мерной емкости 17.