36927

Исследование статических и динамических характеристик уровнемеров

Лабораторная работа

Физика

Губкина Кафедра автоматизации технологических процессов Лабораторная работа Исследование статических и динамических характеристик уровнемеров Методическое пособие к лабораторным работам по курсам : Методы и средства измерений испытаний и контроля Автоматизация производственных процессов Основы техники измерений Москва 2011 Введение Автоматизированные системы управления технологическими процессами АСУ ТП получают результаты измерений в процессе...

Русский

2013-09-23

1.89 MB

12 чел.

        Министерство образования и науки Российской Федерации

Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина

                         Кафедра автоматизации технологических процессов

Лабораторная работа  

 

Исследование статических и динамических характеристик уровнемеров

Методическое пособие

к лабораторным работам по курсам :

« Методы и средства   измерений, испытаний и контроля »

« Автоматизация производственных процессов »

« Основы техники измерений »

Москва  -  2011

Введение  

       Автоматизированные системы управления  технологическими процессами (АСУ ТП)

получают результаты измерений в процессе обработки многократных зависимых (прямых или косвенных) наблюдений на различных временных интервалах. На каждом интервале применяется свой метрологический подход к оценке достоверности получаемой инфор-мации. Измерительную информацию и результаты ее автоматизированной обработки в АСУ ТП используют для контроля технологических параметров и состояния оборудова-ния, оперативного управления, определения оперативных и долговременных технико-экономических показателей. От точности измерений зависят качество и эффективность управления технологическим процессом, достоверность определения фактических и расчетных технико-экономических показателей, правильность оценки производственно-хозяйственной деятельности предприятия и, следовательно, потери в производстве.

Специфика метрологического обеспечения АСУ ТП состоит в том, что измерительные каналы формируются на объекте, и поэтому метрологические приемы и методы, используемые при метрологичеком обслуживании средств измерений уровня  будут изучены  на учебных стендах фирмы «FESTO» Германия. Общий вид  стенда представ-лен на рис. 1.

        На стенде установлены промышленные интеллектуальные приборы измерения уровня, расхода, температуры, давления информация которых поступает на контроллер фирмы «Siemens» и с помощью программного обеспечения «WinCC» создана SCADA - система регулирования технологических параметров.

Цель лабораторной работы:

- изучить конструкцию, принцип действия промышленных приборов для измерения уровня, расхода,  давления, температуры:

- исследовать статические и динамические характеристики приборов для измерения уровня, расхода,  давления, температуры:

- провести калибровку и поверку приборов для измерения уровня, расхода,  давления, температуры:

- исследовать статические и динамические характеристики объектов регулирования технологических параметров уровня, расхода,  давления, температуры:

- исследовать  динамические характеристики влияния законов управления (П, ПИ, ПД, ПИД) в системах регулирования уровня, расхода,  давления, температуры:

Рис.1 Учебный стенд фирмы «FESTO»

1 – центробежный насос, 2 – турбинный расходомер, 3 – электромагнитный клапан, 4 – манометр электрический, 5 –сигнализатор уровня (геркон), 6 – манометр механический,

7- уровнемер ультразвуковой, 8 – блок управления нагревателем, 9 – контроллер,

10 – пневматический клапан, 11 – сигнализатор уровня емкостной, 12 – сигнализатор уровня емкостной, 13 – бак (резервуар), 14 – нагреватель, 15 – датчик температуры.

       На стенде установлены три резервуара, соединенные между собой технологическими трубопроводами, на которых установлены вентили. Направление потока воды по трубопроводам осуществляется с помощью вентилей, Положение вентилей (ЗАКРЫТО) или (ОТКРЫТО) устанавливается в ручном режиме.

Центробежный насос

Центробежный насос предназначен для перекачки воды из резервуара в резервуар по трубопроводам. Общий вид центробежного насоса показан на рис.2. Конструкция центробежного насоса представлена на рис.3.

Рис.2 Общий вид центробежного насоса          1 - центробежный насос

Рис.3  Конструкция центробежного насоса

1 – корпус насоса, 2 – рабочее колесо насоса, 3 – прокладка, 4 – винты,

5 – статор электродвигателя, 6 –подшипник, 7 – керамическая ось, 8 – прокладка,

9 – ротор электродвигателя

Электродвигатель  вращает рабочее колесо насоса, производительность насоса меняется при изменении напряжения постоянного тока подаваемого на двигатель в пределах от 0 до 10 В. Аналоговый и цифровой сигнал  величины напряжения формируется контроллером и выводится на регистрацию.

Пропорциональный клапан

             Пропорциональный клапан предназначен для регулирования расхода воды в трубопроводе по линейному закону. На рис.4 представлен общий вид клапана. На рис.5 представлена принципиальная схема клапана  

Рис.4 Пропорциональный клапан.

      Входной сигнал постоянного напряжения в диапазоне от 0 до 10 В преобразуется контроллером в сигнал широтно-импульсной модуляции, который поступает на электромагнит.

         Усилие электромагнита уравновешивается усилием возвратной пружины, обеспечивая необходимый зазор между плунжером и седлом клапана, таким образом клапан закрывается и открывается пропорционально напряжению в диапазоне от 0 В до 10 В.

Рис.5 Принципиальная схема пропорционального клапана.

1 –пружина, 2 – седло, 3 – плунжер, 4 – седло, 5 – корпус, 6 – подвижное кольцо

       Расход воды через клапан будет пропорционален напряжению управления, при 0 В клапан закрыт – расхода нет, при 10 В клапан открыт – расход максимальный.

Турбинный расходомер

           Турбинный расходомер предназначен для определения расхода жидкости в трубопроводе. На рис.6 представлен вид турбинного расходомера. Принцип действия расходомера основан на измерении скорости потока жидкости при помощи легкой крыльчатки, установленной на пути движения жидкости.

Рис. 6  Турбинный расходомер

     В корпусе датчика установлен оптоэлектронный преобразователь (свето-диод и фото- транзистор), который формирует импульсы, частота которых прямо пропорциональна числу оборотов крыльчатки, а следовательно измеряемому расходу, в диапазоне от 0 до 5 литров в минуту.

Рис.7 Оптоэлектронный преобразователь

      При измерении мгновенного значения расхода применяют схему измерения частоты  с преобразованием частоты импульсов в  диапазоне от 15 до 1200 Гц в постоянное

напряжение  в диапазоне от 0 до 10 В.

Датчики давления

Электрический манометр

Рис.8 Электрический манометр

           Электрический манометр с керамической мембраной  и пьезорезистивным чувствительным элементом измеряет  избыточное давление от 0 до 400 КПа, и преобразует давление в  выходной электрический сигнал  в диапазоне от 0 до 10 В., класс точности 0,5.

Манометр с трубчатой пружиной

        Манометр с чувствительным элементом трубкой Бурдона измеряет давление в емкости В103 (металлический резервуар), диапазон измерения избыточного давления в диапазоне  от 0 до 1 бар, класс точности 2,5.

Рис.9  Манометр механический

Пневматический клапан

    Клапан с пневматическим исполнительным устройством предназначен для перепуска воды из вехнего бака 102 в нижний бак 101. Общий вид клапана представлен на рис. 10.

Рис. 10  Пневматический клапан

При подаче электрического сигнала  на электромагнитное реле,  воздух проходит в камеру  поворотного механизма и перемещает поршень до упора, что приводит к повороту на 90о шарового органа и вода свободного перетекает из бака в бак. Положение поворотного механизма контролируется визуально и электрическими сигнализаторами. Красный цвет соответствует положению « КЛАПАН ЗАКРЫТ», желтый цвет соответствует положению « КЛАПАН ОТКРЫТ». Электрические сигналы с двух микро-переключателей соответственно выводятся на экран пульта управления «CLOSED/OPEN».

Вентили

     Вентили конструктивно выполнены с шаровыми запорными органами, которые можно поворачивать вручную.и создавать различное проходное сечение  для движущегося потока жидкости в трубопроводе. На рис.11 представлен общий вид вентиля. С помощью вентилей можно задавать различные схемы движения потока по трубопроводам, для этих целей каждый вентиль маркируется номером и устанавливается в открытом или закрытом положении. Если черная полоса на вентиле устанавливается перпендикулярно трубопроводу, то вентиль «ЗАКРЫТ», если черная полоса на вентиле устанавливается вдоль трубопровода, то вентиль «ОТКРЫТ».

Рис. 11 Вентиль (положение«ЗАКРЫТ»)

Уровнемер ультразвуковой

       Уровнемер ультразвуковой  определяет расстояние до предмета, измеряя время, которое протекает между отправкой ультразвуковой вспышки и достижением отраженного от объекта  назад на датчик. На рис.12 представлен вид уровнемера ультразвукового.  

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. Ультразвуковые датчики  работают с пьезоэлектрическим преобразователем, который является как звуковым излучателем, так и приемником. 

Рис.12 Уровнемер ультразвуковой  

        Передатчик и приемник находятся в одном и том же корпусе. Водонепроницаемый ультразвуковой датчик помещен в корпус с пенополиуретаном. Преобразователь посылает пакет звуковых импульсов и преобразовывает импульс эха в напряжение. Интегрируемый контроллер вычисляет расстояние по времени эха и скорости звука. Ультразвуковая частота находится между 65 кГц и 400 кГц, в зависимости от типа датчика; частота следования импульсов между 14 Гц и 140 Гц. На рис. 13 представлена

эпюра ультразвуковых сигналов  передатчика и приемника, при уменьшении расстояния

затухание сигналов приводит к образованию слепой зоны.

Рис. 13 Ультразвуковые сигналы передатчика и приемника

     Выходной  электрический сигнал пропорциональный расстоянию запрограммирован  в  диапазоне от 0 до 10 В. На рис.14 представлены зона неуверенного приема сигнала (слепая зона) в диапазоне от 0 до 46 мм от датчика и зона уверенного приема сигнала от 46 до 346 мм.

Рис.14 Зона уверенного приема сигнала

На рис.15 представлена теоретическая зависимость между температурой воздуха, давлением и скоростью звука.

:

Рис.15  Зависимость между температурой воздуха, давлением и скоростью звука.

     Поскольку в промышленных ультразвуковых датчиках вычисляется время эха сигнала датчики термокомпенсированы. Эта особенность способствует устранению температур-ных влияний на выходе датчика. Для определения абсолютной точности измеренного значения ультразвукового датчика, необходимо учитывать следующие факторы:

- температура,

- атмосферное давление,

- относительная влажность,

- турбулентность,

- участки перегрева в воздухе, окружающем датчик или объект,

- датчик в горячем состоянии рабочего режима.

Сигнализаторы уровня

Сигнализатор уровня (геркон)

      Герко́н (сокращение от « ГЕРметичный  КОНтакт») — электромеханическое устройство, представляющее собой пару ферромагнитных контактов, запаянных в герметичную стеклянную колбу, соприкасающимися под действием магнитного поля. Это дает возможность  осуществления электрического контакта в различных средах: влажным, запыленным, радиоактивным, с активными жидкостями и газами, с температурой от – 600С до + 1500С. Различают  герконы работающие на замыкание, переключение и размыкание электрической цепи.

       При приближении к геркону постоянного магнита  контакты замыкаются. На рис. 16 представлен общий вид сигнализатора уровня.

Рис. 16 Сигнализатор уровня (геркон)

1 – поплавок (магнит), 2 – контакты

При изменении уровня воды, выталкивающая сила перемещает поплавок, внури которого находится постоянный магнит. Когда магнит приближается к упору контакты замыкаются, когда уровень воды уменьшается поплавок удаляется от упора вместе с магнитом контакты размыкаются.

Магнитодвижущая сила срабатывания — значение напряженности магнитного поля, при котором происходит замыкание контактов геркона.

Магнитодвижущая сила отпускания — значение напряженности магнитного поля, при котором происходит размыкание контактов геркона.

Световые сигналы на пульте управления указывают режим работы контактов геркона.

Контакты замкнуты цвет индикатора «ЗЕЛЕНЫЙ», контакты разомкнуты цвет индикатора «СЕРЫЙ».

      Сигнализатор  S111  установлен на верхней крышке нижнего бака  101. Сигнализатор  S111 размыкает контакты цвет «СЕРЫЙ», если уровень воды поднимается, Сигнализатор  S111 замыкает контакты цвет «ЗЕЛЕНЫЙ», если уровень воды снижается.

      Сигнализатор  S112  установлен на передней боковой стенке верхнего бака  102. Сигнализатор  S112 размыкает контакты цвет «СЕРЫЙ», если уровень воды поднимается, Сигнализатор  S112 замыкает контакты цвет «ЗЕЛЕНЫЙ», если уровень воды снижается.

Сигнализатор уровня емкостной

      Два емкостных сигнализатора уровня В113 и В114 установлены на боковой стенке нижнего бака В101. Рис. 17  представлен общий вид сигнализатора уровня емкостного.

Рис. 17  Общий вид сигнализатора уровня емкостного

          Принцип действия сигнализатора основан на изменении электрической емкости конденсатора, включенного в цепь RC – генератора  Если вблизи сигнализатора появляется вода, то емкость конденсатора увеличивается и изменяется частота RC – цепи. Величина емкости конденсатора зависит от расстояния, размеров и диэлектри-ческих констант материалов. Преимуществом емкостных уровнемеров является отсут-ствие движущихся  частей, долговечность, надежно работают в сосудах под давлением, вакуумом, при достаточно широком диапазоне по температуре.

Сигнализатор  В113 размыкает контакты цвет «СЕРЫЙ», если уровень воды снижается, Сигнализатор  В113 замыкает контакты цвет «ЗЕЛЕНЫЙ», если уровень воды поднимается. Сигнализатор  В114 размыкает контакты цвет «СЕРЫЙ», если уровень воды снижается, Сигнализатор  В114 замыкает контакты цвет «ЗЕЛЕНЫЙ», если уровень воды поднимается. На корпусе сигнализаторов В113 и В114 установлены два светодиода,

Когда уровень воды выше сигнализатора горит свет « ЖЕЛТЫЙ », когда уровень воды понижается гаснет свет « ЖЕЛТЫЙ », подключение сигнализаторов к блоку питания указывает свет светодиода «СИНИЙ».

Порядок выполнения лабораторной работы

На рис.18 представлена  схема  соединения блоков управления лабораторной установки.

Рис.18 Схема  соединения блоков управления лабораторной установки

1 – блок аналого-цифрового преобразователя  «EasyPort USB», 2 – устройство связи с

контроллером «I/O terminal Syslink», 3 – кабель связи, 4 – блок передачи аналоговых

сигналов, 5 - кабель передачи аналоговых сигналов, 6 – блок питания «Power supply 24 V DC, 4,5 A», 7 – провода напряжения питания (красный и синий), 8 – кабель «USB» для связи с персональным компьютером.

Шаг 1. Включите тумблер пилота «НАПРЯЖЕНИЕ 220 В».

Шаг 2. Включите тумблер на системном блоке компьютера «ВКЛ».

Шаг 3. На экране компьютера нажмите кнопку «ОК» USER1.

Шаг 3. После загрузки ОС WINDOWS включите на стенде тумблер «POWER 24 V»

Шаг 4. На экране компьютера двойным нажатием левой клавиши мыши загрузите программу «FluidLabPAV3.0 Compact Workstation».

Рис. 19 Меню программы «FluidLab - PA V3.0 Compact Workstation»

            Шаг 5. Если в открывшемся меню программы «FluidLab - PA V3.0 Compact Workstation» имеется надпись « no communication EasyPort ». Необходимо присоеди-нить кабель «EasyPort USB» (белого цвета) к компьютеру и  щелкнуть левой кнопкой мыши на кнопке «Initialize», мерцающие сигналы указывают, что устанавливается программное обеспечение блока «EasyPort» и появляется изображение блока.

Шаг 6. Если  не появляется изображение блока «EasyPort» и имеется надпись

« no communication EasyPort », необходимо отсоединить кабель «EasyPort USB» от компьютера и снова  повторить шаг 5.

Шаг 7. Если  появилось изображение блока «EasyPort» и имеется надпись

 «EasyPort USB», подведите курсор к кнопке «SETUP» и щелкните левую кнопку мыши.

Появится меню программы калибровки каналов измерения рис.20.

Рис.20 Меню «SETUP»

1-каналы измерения, 2- выходной сигнал (В), 3- коэффициент усиления, 4- смещение, 5- фильтр, 6 – расчетное значение, 7 – размерность, 8 –максимальное значение, 9 – световая сигнализация, 10 – тумблеры, 11 – движок потенциометра, 12 – регулирование

напряжения.

Рис.21 Тумблеры и световая сигнализация

Шаг 8. Для калибровки ультразвукового уровнемера по каналу измерения высоты уровня жидкости в баке 102 необходимо вентиль V101 «ОТКРЫТЬ» все остальные вентили «ЗАКРЫТЬ». Подведите курсор к тумблеру 3 (рис.21) и щелкните левой клавишей мыши. Включится насос и вода  будет перекачиваться из нижней емкости в верхнюю. Когда вода в верней емкости достигнет отметки 10 мм., вентиль V101 «ЗАКРЫТЬ», тумблер 3 выключить, для этого подведите курсор к тумблеру 3 (рис.20 п.10) и щелкните левой клавишей мыши.

Шаг 9. Необходимо  с помощью вентиля V110 (открывая и закрывая шаровой орган вентиля) сбросить  воду из верхнего бака 102 в нижний бак 101 и установить уровень воды в верхнем баке102 на отметке 0 мм.. Записать выходной сигнал уровнемера Umin в вольтах, который соответствует минимальному уровню воды Lmin=0 мм.

Шаг 10. Вентиль V101 «ОТКРЫТЬ» все остальные вентили «ЗАКРЫТЬ». Подведите курсор к тумблеру 3 (рис.20 п.10) и щелкните левой клавишей мыши. Включится насос и вода  будет перекачиваться из нижней емкости в верхнюю. Когда вода в верхней емкости достигнет отметки 300 мм., вентиль V101 «ЗАКРЫТЬ», тумблер 3 выключить, для этого подведите курсор к тумблеру 3 (рис.20 п.10) и щелкните левой клавишей мыши.

Шаг 11. Необходимо  с помощью вентиля V110 (открывая и закрывая шаровой орган вентиля) сбросить  воду из верхнего бака 102 в нижний бак 101 и  установить уровень воды в верхнем баке102 на отметке Lmax.= 293 мм. Записать выходной сигнал уровнемера Umax=10(±0,01)  в вольтах, который соответствует зоне уверенного приема сигнала, и записать Lmаx в  миллиметрах в окно рис.20 (п.8).

Шаг 12. Необходимо решить уравнения:

                                        Lmin =  КL Umin + bL                     (1)

                                        Lmax = КL Umax + bL                    (2)

Определить (Factor) коэффициент  усиления КL и (Offset) смещение bL и подставить их значения в соответствующие окна меню рис.20 (п.3, п.4).

. Шаг 13. Выполнить поверку канала измерения уровня воды в баке 102 ультразвуковым уровнемером. С помощью вентиля V110 (открывая и закрывая шаровой орган вентиля) сбросить  воду из верхнего бака 102 в нижний бак 101 на фиксированных отметках. Записать в таблицу выходной сигнал уровнемера Uк  в вольтах, расчетное значение уровня Lк в  миллиметрах.

Уровень

воды в  баке Lб (мм)

Выходной

сигнал

UК     (В)

Уровень

расчетный

LК (мм)

Абсолютная

ошибка

Δ Lб = Lб -LК

(мм)

Приведенная

погрешность

φ=(Lб -LК )/(LМАХ LMIN)

(%)

1

293

2

280

3

265

4

250

5

235

6

220

7

205

8

190

9

175

10

160

11

143

12

128

13

112

14

95

15

78

16

62

17

45

18

28

18

10

20

0

Шаг 14. По полученным экспериментальным данным оценить результаты измерения.

Вычислить среднее арифметическое значение приведенных погрешностей измерения, вычислить оценку среднего  квадратического отклонения  приведенных погрешностей измерения, вычислить доверительные границы приведенных погрешностей измерения при заданной вероятности Р=0,95 и проверить гипотезу о том, что результаты измерений принадлежат закону распределения Стьюдента.

 Шаг 15. Оформить протокол испытаний уровнемеров.

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38399. Основи міжнародного морського права 633 KB
  Сучасне міжнародне морське право — це галузь міжнародного права, що регулює дослідження і використання просторів Світового океану, його дна і ресурсів у мирних цілях, а також польоти літальних апаратів у повітряному просторі над Світовим океаном.
38400. Теория капитала 92.62 KB
  Методологическое значение учения о двойственном характере труда для построения и развития научной теории капитала Ира 6. Формальное и реальное подчинение труда капиталу как выражение двойственного характера труда Вика 9. Капиталистическое обобществление производства в эпоху свободной конкуренции и тенденция к упрощению труда Настя 10. Эволюция капитала и процесс усложнения труда Даша 12.
38402. Основы маркетинга 162 KB
  Существует пять основных подходов на основе которых коммерческие организации ведут свою маркетинговую деятельность: Общая тенденция развития перенос акцента с производства и товара на коммерческие усилия на потребителя и все большая ориентация на проблемы потребителя и социальной этичности. Концепция совершенствования производства Эта концепция утверждает что потребители будут благожелательны к товарам которые широко распространены и доступны по цене а следовательно руководство должно сосредоточить свои усилия на совершенствовании...
38403. Рынок и его структура 255.5 KB
  движения посредством куплипродажи товаров капиталов рабсилы технологий информации. Достоинства товарного рынка: обеспечение интересов производителей и потребителей заинтересование производителей в удовлетворение потребностей препятствует монополии в производстве и обращении товаров освобождает экономику от товарного дефицита расширяет возможности субъектов предпринимательской деятельности эффективнее других хоз. систем решает проблемы экономики Товарный рынок это обобщённое понятие подразумевает по существ систему рынков...
38405. МЕЖДУНАРОДНОЕ ФИНАНСОВОЕ ПРАВО 6.98 MB
  Внутригосударственные правовые режимы в МФС 33 1.0 статусе многонациональных предприятий транснациональных корпораций Свободные экономические зоны СЭЗ в международной инвестиционной системе 288 О портфельных инвестициях и их правовом режиме 294 Заключение 304 Приложения: Схема платежного баланса 315 Краткая библиография 317 Перечень сокращений АВФ Арабский валютный фонд АзБР Азиатский банк развития АСЕАН Ассоциация государств ЮгоВосточной Азии АТЭС Организация АзиатскоТихоокеанского сотрудничества...
38407. Економіка підприємств 217.5 KB
  Розкрийте сутність поняття економіка підприємства. Дайте загальну характеристику підприємства 3. Охарактеризуйте структуру підприємства 4 Назвіть І охарактеризуйте види підприємств згідно з кваліфікаційними ознаками. Система планів підприємства 12.